Регулятор напруги генераторного джерела живлення

Регулятор напруги генераторного джерела живлення, що містить вимірник напруги та послідовно з'єднані виходами/входами задатчик напруги, перший пороговий елемент та транзисторний силовий вузол, вихід якого приєднано до обмотки збудження генераторного джерела, при цьому вихід задатчика напруги генераторного джерела приєднано до інверсного входу першого порогового елемента, а перший вивід генераторного джерела приєднано через діод у прямому напрямку з першим виводом акумуляторної батареї, другі виводи генераторного джерела на акумуляторній батареї, з'єднані з спільною шиною, який відрізняється тим, що перший пороговий елемент виконана вигляді компаратора, прямий вхід якого з'єднано з спільною шиною. 2. Регулятор за п. 1, який відрізняється тим, що задатчик та вимірник вихідної напруги суміщені в одному подільнику напруги. 3. Регулятор за п.п. 1 чи 2, який відрізняється тим, що коло живлення регулятора приєднано відповідно до першого та другого виводів генераторного джерела. 4. Регулятор за п.п. 1-3, який відрізняється тим, що містить другий пороговий елемент, що виконаний у вигляді компаратора, та датчик струму акумуляторної батареї, при цьому вхід датчика струму ввімкнено у коло акумуляторної батареї, а вихід датчика через задатчик струму акумуляторної батареї приєднано до інверсного входу другого порогового елемента, прямий вхід якого з'єднано з спільною шиною, а вихід A (54) РЕГУЛЯТОР НАПРУГИ ГЕНЕРАТОРНОГО ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ 33809 елемент та транзисторний силовий вузол, вихід якого приєднано до обмотки збудження генераторного джерела, при цьому вихід задатчика напруги генераторного джерела приєднано до інверторного входу першого порогового елемента, а перший вивід генераторного джерела приєднано через діод у прямому напрямку з першим виводом акумуляторної батареї, другі виводи генераторного джерела та акумуляторної батареї з'єднано з спільною шиною. У данному регуляторі задатчик вихідної напруги генераторного джерела виконаний у вигляді трьох кіл з трьома напівпровідниковими стабілітронами, які задають три різні опорні напруги. А вимірник вихідної напруги генератора виконаний у вигляді резистивного подільника напруги. Ці дві напруги, виміряне та одне з опорних зрівнюють у першому каскаді підсилення, потім амплітуду результату порівнювання в аналоговом перетворювачі перетворюють в часовий інтервал і далі імпульсним перетворювачем (широтним чи частотним) керується струм в обмотці збудження генератору. При цьому схема регулятора приєднана паралельно до виводів акумуляторної батареї, що дозволяє забезпечити запуск генератора від напруги акумуляторної батареї, яке подається безперервно до схеми регулятора. Недоліком цього регулятора напруги є вузький коефіцієнт повороту схеми регулювання, знижуючий якість регулювання за рахунок використання кола з послідовно з'єднаним підсилювача, аналогового перетворювача, імпульсного перетворювача (широтного чи частотного), які не забезпечують достатньо швидку зміну струму в обмотці збудження генераторного джерела в відповідності з виміряною його вигідною напругою. Слідством цього є низька термостабільність схеми регулювання та підвищена пульсація напруги генераторного джерела. Другим недоліком цього регулятора є: - неможливість самозбудження генераторного джерела без використання для живлення схеми регулятора в момент самозбудження допоміжного джерела живлення у вигляді акумуляторної батареї; - відсутність регулювання струму заряду акумуляторної батареї по заданій його уставці, що не забезпечує як оптимальний струм її заряду, так і захист її по максимальному струм у заряда; - ускладнена схема регулятора. Найбільш близьким до заявляемого рішення по технічній суті та досягаємому технічному результату є регулятор напруги генераторного джерела живлення та заряду акумуляторної батареї по авт.св.СРСР №1663741, М.Кл 5 Н02 Р9/00, опубл. 15.07.91, що містить вимірник напруги та послідовно з'єднані виходами/входами задатчик напруги, перший пороговий елемент та транзисторний силовий вузол, ви хід якого приєднано до обмотки збудження генераторного джерела, при цьому вихід задатчика напруги генераторного джерела приєднано до інверсного входу першого з порогового елемента, а перший вивід генераторного джерела приєднано через діод у прямому напрямку з першим виводом акумуляторної батареї, другі ви води генераторного джерела та акумуляторної батареї з'єднано з спільною шиною. У даному регуляторі напруги задатчик вихідної напруги генератора виконано у вигляді кола з напів провідниковим стабілітроном, який задає величину опорної напруги, а вимірник вихідної напруги виконано у вигляді резистивного подільника напруги. Ці дві напруги подаються відповідно на перший та другий вхід першого порогового елемента, який виконано у вигляді диферент иного каскаду, а сигнал порівнювання подається до входу транзисторного силового вузла. який виконай на двои транзисторах р-n-р типу. Ви хід останнього транзистора навантажено на обмотку збудження генератору. При цьому схема регулятора приєднана паралельно акумуляторної батареї та навантаженню генераторного джерела, таке приєднання схеми регулятора забезпечує її живлення від акумуляторної батареї при запуску генератора. В цьому регуляторі напруги трохи підвищено коефіцієнт повороту схеми регулювання за рахунок використання диферент иного каскаду в якості порогового елементу, а також спрощена схема регулювання. Разом з тим, основним недоліком і цього регулятора напруги генераторного джерела живлення є низький коефіцієнт повороту схеми регулювання за рахунок використання в якості порогового елемента диферент иного каскаду, що не забезпечує достатньо швидкого переключення порогового елемента при зміні напруги генераторного джерела і відповідно знижує якість регулювання. Це також призводить до низької термостабільності роботи схеми, що обумовлено перегрівом силових елементів при недостатньо швидких переключеннях порогового елементу. Це також призводить до підвищеної пульсації вихідної напруги генераторного джерела при низькому коефіцієнті повороту. Другим недоліком цього регулятора є: - неможливість самозбудження генераторного джерела без використання для живлення схеми регулятора в момент самозбудження допоміжного джерела живлення у вигляді акумуляторної батареї: - відсутність регулювання струму заряду акумуляторної батареї по заданій його уставці, що не забезпечує як оптимальний струм її заряду, так і захист її по максимальному струм у заряда. В основу винаходу покладена задача створювання ефективного регулятора напруги генераторного джерела живлення шляхом підвищення коефіцієнта повороту схеми регулювання, що дозволить підвищити якість регулювання і, як наслідок цього, дозволить підвищити термостабільність роботи за рахунок відсутності перегріву силових елементів та знизити розмір пульсації напруги та струму генераторного джерела в навантаженому стані, а також при заряді акумуляторної батареї. Поставлена задача вирішується так, що в регуляторі напруги генераторного джерела живлення та заряду акумуляторної батареї, що містить вимірник напруги, та послідовно з'єднані виходами/входами задатчик напруги, перший пороговий елемент та транзисторний силовий вузол, вихід якого приєднано до обмотки збудження генераторного джерела, при цьому вихід задатчика напруги генераторного джерела приєднано до інверсного входу першого порогового елемента, а перший вивід генераторного джерела приєднано через діод у прямому напрямку з першим виводом акумуляторної батареї, другі виводи генераторного 2 33809 джерела та акумуляторної батареї з'єднані з спільною шиною, перший пороговий елемент виконаний у вигляді компаратора, прямий вхід якого з'єднано з спільною шиною. Задатчик та вимірник напруги суміщені в одному подільнику напруги. А коло живлення регулятора приєднано відповідно до першого та другого виводів генераторного джерела. Крім того, регулятор містить другий пороговий елемент, що виконай у вигляді компаратора, та датчик струму акумуляторної батареї, при цьому вхід датчика струму ввімкнено у коло акумуляторної батареї, а вихід датчика через задатчик струму акумуляторної батареї приєднано до інверсного входу другого порогового елемента, прямий вхід якого з'єднано з спільною шиною, а вихід приєднано до входу транзисторного силового вузла, причому коло живлення другого порогового елемента також приєднано відповідно до першого та другого виводів генераторного джерела. Схема компараторів може бути виконана твердотільною Силовий вузол може складатися з послідовно з'єднаних резистивного підсилювача, що виконаний на n-р-n транзисторі та ключового каскада на р-n-р транзисторі, колектор якого через обмотку збудження та шунтуючий її діод з'єднано з спільною шиною, при цьому вхід резистивного підсилювача приєднано до виходів першого та другого компараторів, при цьому емітер транзистора резистивного підсилювача з'єднано з спільною шиною, а з першим виводом генераторного джерела з'єднано емітер транзистора ключового каскаду. Силовий вузол також може складатися з ключового каскада на n-р-n транзисторі, вхід якого приєднано до виходів першого та другого компараторів, а колектор через обмотку збудження та шунтуючий її діод з'єднано з першим виводом генераторного джерела, при цьому емітер транзистора ключового каскаду з'єднано з спільною шиною. Силовий вузол також може складатися з послідовно з'єднаних резистивного підсилювача та ключового каскаду, виконаних відповідно на першому та другому p-n-p транзисторах, емітери який з'єднано з першим виводом генераторного джерела, база першого транзистора приєднана через базовий резистор до виходів першого та другого компаратора, а колектор - до бази другого транзистора та через колекторний резистор приєднано до спільної шини, з якою через обмотку збудження та шунтуючий її діод з'єднано і колектор другого транзистора. Виконання першого порогового елемента у вигляді компаратора, прямий вхід якого з'єднаний з спільною шиною, дозволяє збільшити якість регулювання напруги генераторного джерела за рахунок підвищення коефіцієнта повороту схеми регулювання, при якому забезпечується достатньо швидке переключення порогового елемента навіть при невеликих змінах напруги генераторного джерела, що обумовлено імпульсним режимом роботи компаратора. Такий режим роботи компаратора в схемі регулятора також забезпечує підвищення термостабільності силових елементів за рахунок виключення їх перегріву, а також зниження пульсації напруги за рахунок високої чутливості компаратора до зміни напруги генераторного джерела. Суміщення задатчика та вимірника вигідної напруги в одному подільнику напруги дозволяє спростити схему регулятора при збереженні сту пені підтримки вихідної напруги генераторного джерела в завданий межах. Окрім цього, спрощення схеми регулятора дозволяє підвищити також термостабільність її роботи, тому що знижується кількість елементів, параметри яких змінюються з зміною температури зовнішнього середовища. Приєднання кіл живлення регулятора відповідно до першого та другого виводів генераторного джерела дозволяє спростити схему регулятора, тому що самозбудження генераторного джерела та робота схеми регулятора не залежить від того, в якому стані знаходиться акумуляторна батарея, тобто при цьому не потрібно використовувати ні акумуляторну батарею, ні другого допоміжного джерела. А самозбудження генераторного джерела забезпечується за рахунок утримування, в мить його запуска, ключового каскада транзисторного силового вузла в відкритому стані та присутності невеличкої напруги, приблизно 2.5 В, на першому та другому виводах генераторного джерела за рахунок залишкового потока його збудження. Ввімкнення до схеми регулятора другого порогового елемента, виконаного у вигляді компаратора, а також датчика струму акумуляторної батареї дозволяє підвищити якість регулювання схеми регулятора за рахунок підвищення коефіцієнта повороту другого порогового елемента при сумісному регулюванні як вихідної напруги генераторного джерела, так і струму заряда акумуляторної батареї по заданій його уставці. При цьому забезпечується як оптимальний струм її заряду, так і захист її по максимальному струму заряда. При підвищенні струму заряду акумуляторної батареї завданої величини другим пороговим елементом, виробляється команда запирання транзисторного силового вузла, що викликає зменшення струму збудження і зменшення напруги генераторного джерела та струму заряда акумуляторної батареї. Виконання схем як першого, так і другого компараторів твердотільними дозволяє підвищити термостабільність роботи схеми регулятора і там самим підвищити його якість регулювання, а також дозволяє спростити схему регулювання. Виконання силового вузла, що містить резистивний підсилювач на n-р-n транзисторі та ключовий каскад на р-n-р транзисторі, дозволяє забезпечити достатньо високе підсилення для керування транзистором ключового каскада і тим самим підвищити якість регулювання як вихідної напруги генераторного джерела, так і степені регулювання струму заряда акумуляторної батареї незалежно від струмового навантаження генераторного джерела та частоти обертання його привідного двигуна. Виконання силового вузла, що містить тільки ключовий каскад на n-р-n транзисторі, дозволяє забезпечити виконання другого варіанта схеми регулятора напруги, в якому обмотка збудження генераторного джерела ізольована від спільної шини з забезпеченням необхідної ступені регулювання вигідної напруги генераторного джерела та струму заряду акумуляторної батареї. Виконання силового вузла, в якому резистивний підсилювач та ключовий каскад виконані відповідно на першому та другому р-n-р транзисторах, дозволяє забезпечити виконання одного з варіантів виконання силового вузла з достатньо 3 33809 високим підсилюванням при використанні однополярних транзисторів. Викладене вище підтверджує наявність причинно-наслідкових зв'язків між сукупністю суттєвих ознак заявляемого винаходу та досягаємим технічним результатом. Надана сукупність істотний ознак дозволяє у порівнянні з прототипом забезпечити збільшення якості регулювання схеми регулятора шляхом підвищення коефіцієнта повороту і, як наслідок цього, дозволяє підвищити термостабільність роботи за рахунок відсутності перегріву силових елементів та знизити величину пульсацій напруги та стр уму генераторного джерела в навантаженні і при заряді акумуляторної батареї. Крім того, забезпечується самозбудження генераторного джерела і роботи схеми регулятора без використання акумуляторної батареї (поза залежністю від її стан у) або другого допоміжного джерела живлення. Також забезпечується регулювання струму заряду акумуляторної батареї по завданій його уставці із забезпеченням як оптимального струму її заряду, так і захист її по максимальному струму заряду. Забезпечується також і спрощення схеми регулятора. На думку авторів, технічне рішення, яке заявляється, відповідає критерію винаходу "новизна" та "винахідницький рівень", тому що спільність суттєвих ознак, які характеризують заявлений регулятор напруги генераторного джерела живлення, є новою і не слідує таким чином з відомого рівня техніки. Заявляємий винахід пояснюється кресленням, на якому: на фіг. 1 - наведена схема регулятора напруги генераторного джерела живлення; на фіг. 2 - наведено варіант виконання схеми регулятора напруги генераторного джерела живлення з ключовим каскадом на n-р-n транзисторі; на фіг. З - наведені тимчасові діаграми роботи схеми регулятора; на фіг. 4 - наведено варіант виконання схеми регулятора з силовим вузлом на двох р-n-р транзисторах. Найкращий варіант схеми регулятора напруги генераторного джерела живлення, відповідно з фіг. 1, містить генератор 1 постійної напруги з якірною обмоткою 2 та обмоткою 3 збудження, яка шунтується діодом 4 в зворотному напрямку, перший пороговий елемент 5 та другий пороговий елемент 6, які виконані у вигляді компараторів відповідно 7 та 8, і виходи яких приєднані до входу силового вузла, що складається із послідовно з'єднаних резистивного підсилювача 9 на n-р-n транзисторі 10 та ключового каскада 11 на р-n-р транзисторі 12. При цьому, коло живлення першого трогового елемента 5, другого порогового елемента 6, резистивного підсилювача 9, ключового каскада 11 приєднано відповідно до першого виводу 13 позитивної полярності та до другого виводу 14 негативної полярності генератора 1, причому вивід 14 є спільним. Колекторне коло транзистора 10 та емітер транзистора 12 приєднано до першого виводу 13 генератора 1, до котрого також приєднано через анод-катод діода 15 перший вивід 16 позитивної полярності акумуляторної батареї 17, другий вивід 18 негативної полярності якої приєднано до другого виводу 14 генератора 1, до якого також приєднано емітер транзистора 10 та через обмотку 3 збудження та шунтуючий її в зворотно му напрямку діод 4 колектор транзистора 12. Паралельно акумуляторної батареї 17 до її виводів 16 та 18 приєднано навантаження (не показано) генераторного джерела. До інверсного входу 19 компаратора 7 приєднано вихід подільника 20, вхід якого приєднано відповідно до виводів 13 та 14 генератора 1, при цьому прямий вхід 21 компаратора 7 з'єднано з виводом 14 генератора і. До негативного кола акумуляторної батареї 17 ввімкнено вхід датчика 22 струму, виконаний у вигляді резистивного шунта, ви хід якого з'єднано з входом подільника 23, вихід якого з'єднано з інверсним входом 24 компаратора 8, прямий вхід 25 якого з'єднано з виводом 14 генератора 1. Схеми компараторів 7 та 8 виконані твердотільними. У другому варіанті виконання регулятора напруги генераторного джерела живлення відповідно з фіг. 2 силовий вузол містить тільки ключовий каскад 26, який виконай на р-n-р транзисторі 27, емітер якого з'єднано з виводом 14 генератора 1, з виводом 13 якого через обмотку 28 збудження та шунтуючий її діод 29 приєднано колектор транзистора 27. В одному з варіантів виконання регулятора напруги генераторного джерела живлення відповідно з фіг. 4 силовий вузол містить резистивний підсилювач 9 на транзисторі З0 р-n-р типу та ключовий каскад 11 на транзисторі 12 також р-n-р типу, при цьому емітер транзистора З0 з'єднано з виводом 13 генератора 1, з виводом 14 якого через колекторний резистор з'єднано колектор транзистора З0 та база транзистора 12. Крім того, як в схемі фіг. 1, так в схемі фіг. 2 та фіг. 4 в коло живлення компараторів 7 та 8 може бути ввімкнені стабілітрони відповідно 31 та 32. Коло живлення схеми регулятора приєднано до виводу генератора 1 через запобіжник (не показано), який може бути зв'язаний із схемою (не показана) захисту для його прискореного спрацьовування. У випадку використання генератора змінного струму в генераторному джерелі живлення останній містить випрямні діоди, які приєднані до виводів генератора змінного струму по змінному струму, а по постійному струму випрямні діоди, приєднані до схеми регулятора. Регулятор напруги генераторного джерела живлення працює наступним чином. При ввімкнені приводного двигуна (не показан) генератора 1 на його виводах 13 та 14 з'являється остаточна ЕРС, рівна приблизно 2,5 В. В цей початковий момент часу під впливом цієї остаточної ЕРС та удержання ключового каскада 11 транзисторного силового вузла у відкритому стані, при якому обмотка 3 збудження підключається до якірної обмотки 2, з'являється, а потім і зростає струм збудження генератора і, зростає і його вихідна напруга. Таким чином, чиниться самозбудження генератора 1 без використання будь-якого допоміжного джерела або акумуляторної батареї 17. Коли напруга генератора 1 досягає рівня поточної напруги акумуляторної батареї 17 (точка "а" на фіг. З) і почне його перевищувати, відкривається діод 15 і починається процес заряда акумуляторної батареї 17. З зростанням напруги генератора 1 зростає і зарядний струм батареї 17. При цьому з виходу датчика 22 струму акумуляторної батареї 4 33809 17 на подільнику 23 знімається напруга пропорційно цьому струму, з виходу якого вона надходить на вхід 24 компаратора 8. Коли ця напруга досягне верхнього завданого порогового значення, установлюваного подільником 23, компаратор 8 перемикається (точка "b" на фіг. З), при цьому транзистор 12 запирається та вимикає обмотку 3 збудження від якорної обмотки 2. Проте струм збудження миттю не зникне, а поступово зменшується, замикаючись через діод 4, підтримуючи ЕРС самоіндукції обмотки 3 збудження. Напруга на виводах 13. 14 генератора 1 також поступово зменшується, що призводить до зменшування і зарядного струму акумуляторної батареї 17. І коли він знизиться нижче завданого рівня, на виході подільника 23 з урахуванням зниження цієї завданої величини (точка "с" на фіг. З), що обумовлено поступовим зниженням струму збудження через обмотку З, компаратор 8 перемикається в початковий стан і транзистор 12 відкриється. Це знову призведе до підключення обмотки 3 збудження до якорної обмотки 2 та зростання струму збудження генератора 1 та зростанню вихідної напруги на виводах 13, 14 генератора 1, зарядний струм акумуляторної батареї 17 знову зростає. Цей процес зміни зарядного стр уму батареї 17 на завданому максимальному рівні, при якому середнє його значення є оптимальним для заряда батареї 17, буде повторюватися до того часу, поки вихідна напруга на виводах 13, 14 генератора 1 не досягне (точка "d" на фіг. З) рівня, завданого подільником 20 на вході 19 компаратора 7, який з цього моменту включається в роботу і замикає транзистор 12, відключаючи обмотку 3 збудження від якорної обмотки 2. І коли ця напруга знизиться нижче завданої величини (точка "е" на фіг. З) на ви ході подільника 20, що обумовлено поступовим зниженням струму збудження через обмотку 3, компаратор 7 знову перемикається і відкриває транзистор 12, підключаючи обмотку 3 збудження до якірної обмотки 2. В цей час середній струм заряда акумуляторної батареї 17 буде з бігом часу зменшува тися поки не забезпечиться найбільш повний заряд акумуляторної батареї 17 або її повний заряд при відключенні від неї навантаження, при якому струм заряда не досягне нульового значення. Відповідність технічного рішення, що заявляється, критерію винаходу "промислове застосування" підтверджується зазначеним прикладом конкретного виконання регулятора напруги генераторного джерела живлення. 5 33809 Фіг. 1 Фіг. 2 6 33809 Фіг. 3 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим.Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 7