CN101483333B - 发电机的短路保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发电机的短路保护装置，通过控制其中一触发开关的导通或截止使发电机的激磁线圈所形成的激磁电流对应导通或截止，且其中一升压电路的输入、输出端分别电性连接一检测元件及一截止元件，导通触发开关则上述激磁电流流经检测元件，当流经触发开关的电流过大异常时，升压电路可感应激磁线圈短路状态下检测元件电压升高，以驱动截止元件使强制关闭触发开关，并保持截止元件持续导通，而触发开关持续关闭直到短路状态排除并复位电源。

Description

发电机的短路保护装置
技术领域
本发明涉及发电机的电压调节器技术领域，特别是指一种具有短路保护功能的短路保护装置。
背景技术
请参阅如图1所示一般车用交流发电机(alternator)1，发电机转子(rotor)的激磁线圈(field coil)10经由集电环(slip ring)及碳刷(brush)使线圈两端得以与电压调节器(Voltage Regulator，VR)20及由蓄电池所供应的直流电源30电性连接，当调节器20内部电路为正常状态下，激磁线圈10得以形成激磁电流(field current)并对应转子的转动于发电机定子(stator)产生感应磁场，定子线圈11经感应后产生的交流电流则经整流器12作直流整流后对蓄电池充电并对汽车电器供电；因此只要发电机1于正常运作下，即可由调节器20监控蓄电池的电位以调节转子线圈10的操作，再透过定子线圈11及整流器12对蓄电池充电，使蓄电池维持有相当的电量提供车用电器的正常运作。
请参阅如图2所示的调节器20，蓄电池的直流电源30经功率晶体管(Power Transistor，PTR)21的基极输入端而导通功率晶体管21，可导通转子线圈10的激磁电流使蓄电池得以进行充电，当蓄电池的电量充过一定的饱和电位后，分压电位对应形成于积纳二极管22的跨电压则可达到积纳崩溃的阈值电压因而导通后级的开关晶体管23，并将功率晶体管21的控制基极下拉至电路的电位低点使功率晶体管21截止运作，进而不再形成激磁电流对蓄电池充电，直至蓄电池的电量消耗至不足以导通积纳二极管22的电位才再度使功率晶体管21导通运作并使蓄电池充电，故此调节器20可避免发电机1对蓄电池过渡充电而减少蓄电池寿命，具有稳定蓄电池正常运作的功能。
然而，车体启动后的震动环境配合转子不断转动时，转子上所紧密缠绕的漆包线则容易发生表面绝缘漆料磨损而使金属芯外露，一旦碳刷磨损掉落的石墨屑、线路焊接部位掉落的锡渣或其它任何导电物质掉落则致使转子线圈10发生局部短路或完全短路的现象，纵使上述调节器20会因短路的激磁电流增加使发电机过度发电，再因蓄电池电位上升后造成积纳二极管22获得导通电压，故而使短路电流断开，然只要蓄电池电位降低至功率晶体管21需导通时，短路电流会再次流经功率晶体管21，如此在短路状况未排除前，功率晶体管21不断处于过大电流的导通与截止间切换而使调节器20发生短路振荡，致使功率晶体管21的内部pn结结构承受不住此突波短路电流而烧毁，或者使转子线圈10电流过大，超出功率晶体管21的负荷，造成功率晶体管21的损毁，进而使发电机过度发电，造成供给过高电压至汽车上的电器产品以导致损坏。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种发电机的短路保护装置，可稳定的控制短路保护且具有极低的电路功率消耗。
为达成上述目的，本发明所提供的一种发电机的短路保护装置，与发电机的激磁线圈相耦接，具有可控制导通或截止的一触发开关，使上述激磁线圈形成的激磁电流对应导通或截止发电机的发电运作，更包含有一检测元件、一升压电路及一截止元件，该检测元件具有极低的电阻值，可降低激磁线圈能量的消耗，该升压电路的输入、输出端分别电性连接该检测元件及截止元件，导通该触发开关则上述激磁电流流经该检测元件，当发电机因为激磁线圈短路等情况而造成激磁电流瞬间增大时，该检测元件检测到升压信号并由升压电路的输入端输入，于该升压电路中稳定快速的储存此升压的电位能及驱动该截止元件使强制关闭该触发开关，并保持该升压电路输出端的电位一段时间使该截止元件能确保完全导通而触发开关持续关闭，维持该发电机不继续发电运作，直到短路状态排除再复位电路状态。
附图说明
图1是习用电压调节器装设于发电机的电路装置示意图；
图2是上述习用发电机与电压调节器的电路结构示意图；
图3是本发明最佳实施例所提供短路保护装置装设于发电机的电路装置示意图；
图4是上述最佳实施例所提供短路保护装置的电路结构示意图。
【主要元件符号说明】
1发电机          10激磁线圈
2短路保护装置    201电源端组
30直流电位       40触发电路
41触发开关       42触发电阻
50检测元件       60升压电路
601输入端        602输出端
603感应端        61、62升压电阻
63充电电路       631二极管
632电容          633电阻
70截止元件       701控制端
702上导流端      703下导流端
80稳压电路       81分压电阻
82积纳二极管     83开关晶体管
具体实施方式
以下，兹配合若干图式列举一最佳实施例，用以对本发明的组成构件及功效作进一步说明，其中所用各图式的简要说明如下：
图3是本发明最佳实施例所提供短路保护装置装设于发电机的电路装置示意图；
图4是上述最佳实施例所提供短路保护装置的电路结构示意图。
请参阅如图3所示，为本发明最佳实施例所提供一短路保护装置2，用以监控发电机1激磁线圈10所产生的激磁电流大小，以维持发电机1的正常运作，以一电源端组201电性连接发电机1的碳刷并自蓄电池获得电路操作所需的直流电位30，该短路保护装置2包括有一触发电路40、一检测元件50、一升压电路60、一截止元件70及一稳压电路80，其中：
请配合图4参照，该触发电路40具有一触发开关41及一触发电阻42，该触发开关41具有高功率输出的操作条件，用以承受并驱动大电流的导通运作，可为如本实施例所使用的双极性接面晶体管(BJT)，或者使用具有低功耗特性的金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)或Bi-CMOS(Bipolar-CMOS)等工艺的功率晶体管于本发明皆可具有等效的应用，该激磁线圈10的电流输出端即电性连接该触发开关21，当蓄电池所提供的直流电位30经该触发电阻42分压以达到该触发开关41的基极导通电位时，则对应使该激磁线圈10形成导通电流回路而产生激磁电流，故该触发开关41的导通或截止对应形成激磁电流的导通或截止。
该检测元件50为用以检测经该触发开关41导通的激磁电流大小，可为如本实施例所使用的电阻元件，具有极低的电阻值以避免发电机在正常运作下导通的激磁电流于该检测元件50徒增功率消耗。
该升压电路60具有一输入端601、一输出端602、二升压电阻61、62、一感应端603以及一单向充电电路63，该二升压电阻61、62串接该触发电路40的触发电阻42及该检测元件50，具有降低分流及压差感应的作用，不致使直流电位30于此串接回路的分路电流过高而徒增电路功耗及误动作机会的产生，且当过高的电流通过该检测元件50而提升该输入端601的电位时，该升压电阻62亦可感应升压而提升该感应端603电位使该充电电路63的输入电位升高，该充电电路63可由如本实施例所提供的一P-N型二极管631、一电容632、一电阻633构成，该二极管631用以限制该充电电路63自该感应端603输出电流，通过该电容632保持该输出端602的电位一段时间，不致当输入端601的电位降低时自该感应端603放电，并在该感应端603电位更高于电容器储存电位时持续充电使该输出端602可同时感应输入端601电位的对应提升。
该截止元件70为感应该升压电路60输出端602的电位而运作，可如本实施例所提供的硅控整流器(SCR)，或者具有开关特性的晶体管元件皆可具有本发明的功效，该硅控整流器的电位输入栅极为控制端701，电性连接该升压电路60的输出端602，该硅控整流器的电流输入、输出节点为上、下导流端702、703，分别电性连接该触发电路40的触发开关41及接地电位，当该控制端701感应该升压电路60输出端602的电位升高至硅控整流器栅极的导通阈值电压时，该上、下导流端702、703即相互电性导通，并将该触发开关41的基极输入电位下拉至接地电位，因而强迫使该触发开关41截止运作。
该稳压电路80即如习用电压调节器的功能，由二分压电阻81及一积纳二极管82感测蓄电池的电位，因此控制导通或截止后级开关晶体管83的运作，以导通或截止触发开关41而有效调节蓄电池的充电状态。
综合上述可知，当发电机1因为激磁线圈10短路等情况而造成激磁电流瞬间增大时，该检测元件50检测到升压信号并输出至该升压电路60的输入端601，于该感应端603感应升压后，该充电电路63先经由该电容632、电阻633稳定快速的储存能量及延长信号能量，再配合该二极管632避免电流逆向输出该感应端603，以确保稳定的驱动该截止元件70然后强制关闭该触发开关41，并保持该输出端602的电位使该截止元件70持续导通而该触发开关41持续关闭，维持该发电机1不继续发电运作，直到短路状态排除再将该充电电路63的电容632完全放电以复位电路状态；因此在该检测元件50与截止元件70之间，通过该升压电路60的单向充电电路63可避免因为短路保护动作后但短路状态尚未排除时，该触发开关41截止使该检测元件50原本对应产生的升压信号降低，反而又使该截止元件70的控制端701电位下降，当该截止元件70无法持续导通而误使回复至原本关闭状态则该触发开关41再次导通动作，造成电路系统持续开关震荡而损坏各晶体管开关元件。
因此，本发明所提供的短路保护装置使用极微小功率消耗的检测元件以检测发电机激磁线圈的正常运作，大大的减低对激磁线圈的能量损耗，并以电平提升的升压电路调整并稳定检测到激磁线圈短路的信号源，有效控制截止元件的动作，降低电路误动作的发生，使短路保护线路动作后维持短路保护的状态直到短路状态排除。
唯，以上所述者，仅为本发明的较佳可行实施例而已，故举凡应用本发明说明书及权利要求书所为之等效结构变化，理应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种发电机的短路保护装置，用以控制发电机激磁线圈所产生的激磁电流，其特征在于，该装置包括：
一电源端组，与上述激磁线圈相耦接且电性连接直流电源以获得直流电位；
一触发开关，电性连接上述激磁线圈，该触发开关的导通或截止对应形成上述激磁电流的导通或截止；
一检测元件，两端分别电性连接该触发开关及接地电位，导通该触发开关则上述激磁电流流经该检测元件；
一升压电路，具有一输入端及一输出端，该输入端电性连接该检测元件的电流输入节点，该升压电路具有二升压电阻、一二极管、一电容和一电阻，该二升压电阻电性连接该输入端且与该检测元件串联，该二极管的正极端电性连接该二升压电阻，该电容一端与二极管的负极端电性连接，另一端连接接地电位，该电阻与该升压电路的输出端及该二极管的负极端串联连接，该输入端的电位增加时可对应提升该输出端的电位，该输入端的电位降低时该输出端的电位维持不变；以及，
一截止元件，具有一上、下导流端及一控制端，该上、下导流端分别电性连接该触发开关及接地电位，该控制端电性连接该升压电路的输出端，当该控制端的电位达到特定的一阈值电位时该截止元件即导通运作，使该上、下导流端相互电性导通，并使该触发开关截止运作。
2.根据权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，该触发开关为以双极性接面晶体管或金属氧化物半导体晶体管其中之一。
3.根据权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，该触发开关导通后与接地电位的电位差为上述激磁线圈的激磁电流流经该检测元件产生的电压。
4.根据权利要求2所述的短路保护装置，其特征在于，该升压电路具有二升压电阻，该二升压电阻分别电性连接该触发开关的一基极与一发射极，且与该检测元件串联。
5.根据权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，该截止元件为一开关晶体管元件，导通该截止元件的上述阈值电位即为该开关晶体管元件的导通限电位，该上、下导流端分别为该开关晶体管元件导通后的电流输入、输出节点。
6.根据权利要求5所述的短路保护装置，其特征在于，该截止元件为一硅控整流器，该硅控整流器的栅极为该控制端。
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