CN1049254A - 集成化分励式发电机电子调节器 - Google Patents

Abstract

一种与发电机安装在一起的为控制发电机励磁 电流的控制装置。特点：①采用集高精度电压基准与 高速比较器于一体的集成电路；②采用VMOS管开 关励磁电流；③采用PUT作为驱动器件。可用于各 种汽车、拖拉机、工程车辆、内燃机车辅助发电机、柴 油、汽油发电机组等各种采用分励式发电机的场合。

Description

本发明属于一种分励式发电机电压控制调节装置，适用于各种汽车、拖拉机、工程车辆、内燃机车的辅助发电机、柴油、汽油发电机组等各种采用分励式发电机的场合。现以该调节器在汽车与内燃机车上的应用为例论述之。

以往的晶体管汽车发电机电子调节器的电压检测装置由于其结构本身的限制，不得不采用稳压管与晶体管BE结串联作为基准电压;国内比较先进的集成化电子调节器同样采用稳压管作为基准电压。由于汽车发电机调节器工作环境温度范围宽（机标为-40～65℃，进口车可达-45～145℃），为了在整个温度范围内使调节器输出电压保持稳定，必需对稳压管与晶体管BE结串联所构成的基准电压或稳压管及运算放大器输入失调电压及电流作温度补偿。但由于不同器件的非线性及同类器件各参数的离散性等原因，使补偿措施往往难以收到予期的效果，导致调节器温度特性变差。

近年来，发电机与调节器的一体化导致了调节器向微型化发展，形成了内装式调节器。内装式调节器的提出不仅使传统的机械式调节器无法胜任，而且使以往的许多电子调节器同样无能为力。

本发明在汽车上应用的目的就是要提供一类结构简单、价格低廉、生产工艺性优良、性能稳定可靠、能在极宽温度范围内工作、适用于恶劣工况的微型、内装式、集成化电子调节器。

目前国内内燃机车辅助发电机电压调节器有下述缺点：

1、电路设计过于复杂;2、造价高;3、体积大，可靠性不够，在一个控制箱中无法安装两套电压调节器。本发明在内燃机车上应用的目的就是要提供一类结构简单、性能稳定、造价低廉、工作可靠的集成化电子调节器。

本发明的任务是以下述方法完成的：采用集成稳压/比较器将基准电压与发电机输出端电压进行比较后，驱动大功率开关器件控制发电机励磁电流，以实现电压调整功能。

与以往的电子调节器相比，本发明的优点在于：

1、由于采用了新型的、集高精度电压基准与高速电压比较器于一体的集成电路，使本发明具有下述优点：

①温度稳定性好、稳压精度高。

由于TL431内部电压基准的温度系数小于50ppm，因此可使调节器能在很宽的温度范围内工作，并且使发电机输出电压保持稳定。

②生产工艺简单。

由于采用TL431内部电压基准，在电路设计及印制板布局时，既无需考虑由于使用稳压二极管等器件后，不得不采用的温度补偿措施，又不用考虑调节器的温度场分布不均匀，避免了因元件布局不当以及器件参数不稳定等原因导致的调节器温度特性变差，大大简化了生产工艺。

③由于TL431是高速电压比较器，使调节器在工作过程中进一步降低功率开关晶体管的开关损耗，提高了调节器的可靠性。

2、驱动部分采用可调单结晶体管PUT。

PUT是具有强烈正反馈的高速开关元件，其输出只能稳定在高、低电位两个状态，且上升与下降时间降仅数十nS。从而保证了功率开关管能迅速通过放大区，进入截止或饱和区;使功率开关管始终工作在开关状态。大大提高了调节器的可靠性。

3、采用VMOS场效应管作开关功率管。

VMOS场效应管与双极型大功率晶体管相比具有无二次击穿现象;开关速度快，上升与下降时间仅数十nS;电压驱动，驱动功率小;导通内阻小;功率增益高;温稳度稳定性好等优点。采用VMOS场效应功率管可大大增加靠性、简化电路、减小体积，提高其性能价格比。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是集成化分励式发电机电子调节器实施例一电气原理图。

图2是本发明实施例二的电气原理图。

图3是本发明实施例三的电气原理图。

图4是本发明实施例四的电气原理图。

图5是本发明实施例五的电气原理图。

图6是本发明实施例六的电气原理图。

参看图1，本实施例应用在外搭铁式硅整流发电机上。电路图中发电机硅整流二极管的输出端接汽车蓄电池B正极和调节器取样电路R1的一端及点火开关K，R1与R2串联，其联结点接高速电压比较器IC的控制端R点及反馈电阻RF的一端，R2的另一端接地，电容器C1与R2并联，C1用来防止电路自激振荡。IC阳极接地，阴极接R3和DW1负极，DW1正极接VMOS场效应功率晶体管T1的栅极、DW2负极，DW2正极接地，R4与DW2并联。DW1用来抵消TL431饱和时输出的2V电压，DW2起防止T1栅极击穿的作用。T1的源极接地，漏极接续流二极管D0和RF的另一端，续流二极管D0用于防止T1关断时励磁绕组产生的高压击穿T1。D0负极接点火开关K及R3的另一端，发电机励磁绕组L并联在DO两端。调节器的地线接发电机负极和蓄电池负极。其工作原理是：关闭汽车点火开关K，当发电机尚未转动或转速较低时，发电机输出电压经R1、R2分压于R点，此时，R点电压VR低于IC内部基准电压（约2.5V），IC截止，K点电位约等于蓄电池电压。T1栅极G为高电平，T1饱和导通，励磁电流流过励磁绕组，此时VMOS管漏极D接地，RF与R2并联。随着发电机转速上升，其输出电压V0随之而升高，当：

VR≈V0· (R2∥RF)/(R1+R2∥RF)

大于IC内部基电压时，IC饱和，输出电压2V。通过稳压管DW1后T1栅压为零，T1截止，切断发电机励磁电流，发电机输出电压下降。此时，RF与励磁绕组L串联后再与R1并联。当发电机输出电压进一步下降，使：

VR≈V0· (R2)/(R1∥（RF+RL）+R2)

（RL：励磁绕组直流电阻）

小于IC内部基准电压时，IC截止，T1再次接励磁回路，如此循环以保持发电机输出电压稳定。

当其它因素如负荷变化导致发电机输出电压变化时，调节器重复上述过程。

CA141发电机安装采用该电路研制的调节器后，当温度由-40～130℃变化时，输出电压变化不大于±0.05V;当负载由10%～80%（输出电流5A～40A）变化时，输出电压变化为±0.001～±0.05V;当转速由1000～9000rpm.变化时，输出电压变化不大于0.01V。

图2是在图1的基础上，去掉DW2，将T1换成双极型达林顿管。与图1相比，具有价格低、性能指标基本不变的特点。但由于采用双极型晶体管，可靠性、功耗等指标略有下降。

图3是在图2的基础上，将T1换成小功率管，T1的集电极接R5，R5的另一端接T2的基极，T2的发射极接R3及电火开关，极电极接D0负极，D0正极接地，R6与T2的基极及发射极并联，励磁绕组并联在D0两端。该电路与图2的区别在于当IC饱和时R点电压VR为：

VR≈V0· (R2)/(R1∥（RF+R5）+R2)

工作原理基本相同。该电路采用CA-141发电机试验时，其指标与图2电路指标基本相同。该电路用于各种“内搭铁”（励磁绕组接负极）的硅整流发电机。

图4是在图3的基础上，IC的R点接D1负极和R7，D1正极接R1和R2的联接点，R7另一端接地;T1的发射极接R1与蓄电池正极，R3的一端接IC阴极K，另一端接电火开关K，电火开关另一端接汽车电路内部电阻。其它不变。D1和R7用来满足调节器所需要的温度特性，使发电机输出电压随环境温度上升而降低。

图5是本发明在内燃机车辅助发电机中的应用电路之一。图5与图1的区别在于IC的阴极K接T1的阳极A，C2并联在IC1的A、K两端。R6、C3、DW2并联（DW2正极接地），其一端接地，另一端与R5串联，联结点接T1控制极G;DW1与R4并联后一端接地（DW1正极接地），另一端接接PUTT1的阴极A、功率开关管的栅极G;功率开关管的源极S接地，漏极D接续流二极管D0的正极，D0负极接R3、R5的另一端，辅助发电机励磁绕组与D0并联。压敏电阻R7与T2的S、D并联，C2，C3用来防止电路自激振荡，DW2防止T1击穿，压敏电阻R7防止T2击穿。

内燃机车辅助发电机电子调节器的工作原理与图1不同点在于：当IC截止，T1阳极电压VA大与T1控制极电压VG时，T1产生强烈正反馈，在数十nS内迅速导通，使VMOS开关管以极快的速度接通励磁电流;当IC饱和时，T1同样在强烈正反馈作用下在数十nS内截止，使T2迅速关闭。

图6是本发明在内燃机车辅助发电机中的应用电路之二。与图3相比，DW2并联在T1的基极与发射极两端，DW3并联在T2的基极与发射极两端，DW2与DW3均正极接地，用来保护IC、T1和T2，提高电路的可靠性;R5的一端接T1的集电极和T2的基极，另一端与R3、R6、K及D0的负极连接在一起，T2的发射极接地，集电极接R6的另一端、DW4的负极和T3栅极，DW4正极接地，T3的其余连接关系同图5中的T2。工作过程与原理图1基本相同。实用效果与图5相当。

在东风4上使用采用上述电路的调节器时，当柴油机转速由最低转速上升到最高转速（430rpm～1100rpm），输出电压变化小于0.4V。采用上述6个电路（及本说明中尚未列举的十余种电路）安装的电压调节器均可用于汽车、拖拉机、工程车辆、内燃机车、柴、汽油发电机组。并且各种指标均远高于目前国内的各种电压调节器;价格大大低于目前国内的各种电压调节器。

Claims (4)

1、一种为控制分励式发电机励磁电流的控制调节装置，电路由发电机硅整流二极管的输出端接蓄电池正极，调节器取样电路R1接电火开关K，R1与R2串联后接地，它们的联结点接集成电路1C的控制端R及负反馈电阻RF的一端，电容C1与R2并联，集成电路1C阳极接地，阴极接R3及稳压管DW1负极，DW1正极接VMOS场效应管T1的栅极和DW2的负极，DW2的正极接地，R4与DW2并联，T1的源极接地，漏极接续流二极管D0正极及反馈电阻RF的另一端，D0负极接电火开关K及R3的另一端，发电机励磁绕组L并联在D0两端，调节器的地线接发电机负极及蓄电池负极。其特征在于发电机输出电压的检测与比较电路采用集成稳压/比较器。

2、根据权利要求1所述的控制调节装置，其特征在于电压检测与控制集于一体，由集成电路TL430/TL431/μA431系列集成稳压/比较器和电阻R1、R2、R3及C1构成。

3、根据权利要求1所述的控制调节装置，其特征在于电路的开关装置由VMOS功率场效应晶体管来开关励磁电流。

4、根据权利要求1所述的控制调节装置，其特征在于电路的驱动部分采用可调单结晶体管PUT，保证开关管功率管只能工作在截止或饱和导通状态。

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