CN2826825Y - 带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器。本实用新型包括有三个接线端子及十个单元电路，采用双电压比较器为核心控制电路，在场效应管的源极与负极间串接一个低功耗电流取样电阻，使流经场效应管的电流超过额定值时即刻转为截止，从而达到过流保护；利用稳压储能电路，避免因瞬时高电压而损坏；利用储能比较控制电路，使发电机在低转速时，场效应管就转为完全饱和导通，发电机转为完全发电。本实用新型提供一种具有基本电压调节、过电流保护、过电压保护、防倒流、充电指示灯控制等功能，具有结构简单、体积小、成本低、输出功率大、工作时不发热、性能稳定、温度系数极小、灵敏度及可靠性高等优点的外搭铁电压调节器。

Description

带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器

技术领域

本实用新型涉及汽车发电机的电压调节装置，特别是一种带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器。

背景技术

现有技术的汽车发电机三线外搭铁电压调节器，在实际中发现不够理想的有如下三个问题：

1、电压调节器只有防止输出负载端直接短路的自我保护功能，缺欠理想的防止输出负载端过电流自我保护功能，即使有过流保护功能，是采用在大功率开关管的输出端串接一个大功率电流取样电阻，和接在大功率开关管控制端的小三极管构成。不足的是，电流取样电阻的阻值不能太小，应调整在电路正常、负载端不出现过电流时，电流取样电阻两端应保持有使小三极管接近导通的基极电压(此电压约为500毫伏左右)，电路才能起到有效的过流保护作用。这样电流取样电阻的功耗太大，就会使电压调节器长期处于加热状态，极大影响到电压调节器的使用寿命。在实际使用中，常会出现因过电流而损坏电压调节器的情况，例如，由于产品销售到市场上，电压调节器的额定输出电流同其它发电机的最大励磁电流不匹配，维修人员如果把产品配用在励磁电流比较大的发电机上使用，电压调节器因长期处于过载运行而损坏。另外还有一种可能，由于发电机长时间工作，因励磁线圈老化及震动出现逐渐性的匝间短路，到一定的程度时，最终都会使大功率开关管因超过其额定使用电流而损坏。另外，如果结合九管或十一管发电机工作，有时还会殃及发电机的三个励磁二极管的损坏。

2、在发电机处于最高额定转速及最大输出电流的状态下，进行立即抛负载(包括蓄电池)转入空载，每抛负载一次发电机就会发出一个高于额定电压好几倍的瞬时间过高电压脉冲(时间极短)去冲击一次电压调节器，有些电压调节器一遇抛负载即刻就烧毁；有些电压调节器只能承受低频慢速地抛负载；如果频繁快速地抛负载，多数电压调节器还是承受不了连续快速的高电压脉冲的冲击而烧毁。在实际使用中，是会出现频繁快速地抛负载情况发生的，例如，发电机脚架固定螺丝的松动、汽车发动机至汽车底盘大梁之间的搭铁线固定螺丝的松动、汽车底盘大梁至蓄电池负极搭铁线固定螺丝的松动、蓄电池端头的松动、蓄电池使用时间长差不多达到最终寿命时会出现极板与端头的松动脱落等，有这些故障的汽车在道路上行驶，在发电机处于高转速及大输出电流时突然遇到道路不平发生颠动时，都会出现发电机输出回路接触不良发生抛负载，电压调节器就会因承受不了连续快速的高电压脉冲的冲击而烧毁。烧毁的原因有三方面：一是选用开关管或电容的耐压不够高；二是有些关键部位选用的电阻功率太小；三是有些关键部位没有采取稳压措施或稳压措施不够完善所造成。

3、内装式此种电压调节器，其中的大功率开关管多数是采用达林顿管，也有采用场效应管。达林顿管因为本身饱和压降大，所以采用达林顿管的电压调节器发热高功耗大，有影响产品的使用寿命，当工作时间长时有可能因过热而烧坏。而场效应管承受电流大、饱和压降小、在应用中不会过于发热。但是，如果直接采用场效应管来代替达林顿管时，因为场效应管的栅极开启电压比达林顿管高，应用于由充电指示灯提供他激励磁电流的、九管或十一管发电机所配用的三线外搭铁电压调节器时，结果会出现：明显严重地影响发电机启始发电转速(即零电流转速)的指标，超出国家行业标准规定的一倍以上。

发明内容

本实用新型的目的是要解决现有技术存在的不足，提供一种带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器。

本实用新型是这样实现的：带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，包括电源正极端子D+、励磁线圈端子F、负极地端子E，其特征在于：该电压调节器还包括有续流二极管、场效应功率开关管、电流取样电阻、电压比较控制电路、双负输入电流比较控制电路、基准电流电路、基准电压电路、电压取样电路、单向导电隔离二极管、串联型稳压储能电路，其中控制电路的核心部分采用两个电压比较器，其中一个电压比较器用于电压比较控制电路，另外一个电压比较器用于双负输入电流比较控制电路，两个电压比较器的输出端OUT与场效应管的G栅极相连接；所述的单向导电隔离二极管即是D1，它接在电源正极端子D+与串联型稳压储能电路的输入端之间，在电路中起单向隔离导电作用；所述的串联型稳压储能电路，由电阻R3和R4、稳压管W1、三极管T1、电容C2组成，该电路接在单向导电隔离二极管的输出端与负极地端子E之间，并且可以为基准电压电路、电压比较控制电路、双负输入电流比较控制电路提供电源，其中T1的发射极即是电路的输出端；

上述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，所述的基准电压电路，由稳压管W2和W3、电阻R7组成，它接在串联型稳压储能电路的输出端与负极地端子E之间，其中电阻R7与稳压管W2之间的连接点即是它的输出端，其输出端接于电压比较控制电路的电压比较器的IN+端；

上述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，所述的基准电流电路，由电阻R5和R6、电容C3组成，它接在基准电压电路的输出端与负极地端子E之间，其中电阻R5和R6之间的连接点即是它的输出端，其输出端连接于双负输入电流比较控制电路的电压比较器的IN+端；

上述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，所述的场效应功率开关管即是T2，是N沟道型场效应管，其漏极D与发电机励磁线圈端子F相连接，栅极G与双电压比较器的两个输出端OUT相连接，用于控制发电机励磁线圈电流的通断；

上述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，所述的电流取样电阻即是RX，接在场效应管的输出端源极S至负极地端子E之间，用于检测流经场效应功率开关管的电流；

上述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，所述的双负输入电流比较控制电路，由一个电压比较器、二极管D2和D3、电阻R9和R10、电容C4组成，其有两个负输入端，其中一端通过电容C4与励磁线圈端子F相连接，另外一端通过R10与场效应管的源极S相连接；

上述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，所述的电压比较控制电路，由一个电压比较器、电阻R8组成，其中的电压比较器的IN-端同电压取样电路8的输出端相连接；其中电阻R8连接在两个电压比较器的电源端VCC与输出端OUT之间，用于触发场效应管T2导通；

上述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，所述的电压调节器可通用于六管或八管外搭铁式发电机车型电路所配用的，外装式三线外搭铁电压调节器。

本实用新型的有益效果是：具有基本电压调节、过电流保护、过电压保护、防倒流、充电指示灯控制功能。同时具有结构简单、体积小、成本低、输出功率大、工作时不发热、性能稳定、温度系数极小、灵敏度及可靠性高等优点。

下面结合附图对本实用新型加以说明：

附图说明

图1为本实用新型的电路方框图；

图2为本实用新型的电路原理图(图中虚线框内编号及元器件与图1相对应)；

图3为本实用新型的应用原理图<内装式>(配九管或十一管发电机工作)；

图4为本实用新型的应用原理图<外装式>(配六管或八管发电机工作)。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实用新型包括电源正极端子D+、励磁线圈端子F、负极地端子E，该电压调节器还包括有续流二极管1、场效应功率开关管2、电流取样电阻3、电压比较控制电路4、双负输入电流比较控制电路5、基准电流电路6、基准电压电路7、电压取样电路8、单向导电隔离二极管9、串联型稳压储能电路10，其中控制电路的核心部分采用两个电压比较器，其中一个电压比较器用于电压比较控制电路4，另外一个电压比较器用于双负输入电流比较控制电路5，两个电压比较器的输出端OUT与场效应管的G栅极相连接；所述的单向导电隔离二极管9即是D1，它接在电源正极端子D+与串联型稳压储能电路10的输入端之间，在电路中起单向隔离导电作用；所述的串联型稳压储能电路10，由电阻R3和R4、稳压管W1、三极管T1、电容C2组成，该电路接在单向导电隔离二极管9的输出端与负极地端子E之间，并且可以为基准电压电路7、电压比较控制电路4、双负输入电流比较控制电路5提供电源，其中T1的发射极即是电路的输出端。所述的基准电压电路7，由稳压管W2和W3、电阻R7组成，它接在串联型稳压储能电路10的输出端与负极地端子E之间，其中电阻R7与稳压管W2之间的连接点即是它的输出端，其输出端接于电压比较控制电路4的电压比较器的IN+端；所述的基准电流电路6，由电阻R5和R6、电容C3组成，它接在基准电压电路7的输出端与负极地端子E之间，其中电阻R5和R6之间的连接点即是它的输出端，其输出端连接于双负输入电流比较控制电路5的电压比较器的IN+端；所述的场效应功率开关管2即是T2，是N沟道型场效应管，其漏极D与发电机励磁线圈端子F相连接，栅极G与双电压比较器的两个输出端OUT相连接，用于控制发电机励磁线圈电流的通断。所述的电流取样电阻3即是RX，接在场效应管的输出端源极S至负极地端子E之间，用于检测流经场效应功率开关管2的电流；述的双负输入电流比较控制电路5，由一个电压比较器、二极管D2和D3、电阻R9和R10、电容C4组成，其有两个负输入端，其中一端通过电容C4与励磁线圈端子F相连接，另外一端通过R10与场效应管的源极S相连接。所述的电压比较控制电路4，由一个电压比较器、电阻R8组成，其中的电压比较器的IN-端同电压取样电路8的输出端相连接；其中电阻R8连接在两个电压比较器的电源端VCC与输出端OUT之间，用于触发场效应管T2导通；所述的电压调节器可通用于六管或八管外搭铁式发电机车型电路所配用的，外装式三线外搭铁电压调节器。

本实用新型整体的具体实施方案是：利用电压比较器IN+与IN-两输入端之间电压差10mV左右输出端OUT就翻转的特点。采用双电压比较器为核心控制电路，把双电压比较器的二个输出端OUT并联再连接到场效应管的(G)栅极，其中一个单元电压比较器用于电压调节作用使发电机的输出电压保持稳定，另一个单元电压比较器用于保护场效应管，在场效应管2的源极(S)与负极地端子E之间，串接一个低功耗电流取样电阻3、并采用双负输入电流比较控制电路5、基准电流电路6、基准电压电路7，在电路正常状态下，由于基准电压电路7中W2的稳压作用，及基准电流电路6中R5和R6的分压作用，在双负输入电流比较控制电路5中，A2的IN+端上已建立有10mV左右的基准电流电压，流经场效应管T2及电流取样电阻的电流不会超过额定值，在电流取样电阻两端产生的压降小于10mV不能起动电压比较器A2，所以场效应管T2继续导通。当电路不正常，在发电机励磁线圈出现逐渐性的匝间短路时，流经场效应管及RX的电流会不断逐渐增大，电流增大至场效应管即将承受不起时，RX两端电压上升至大于10mV，通过R10，使电压比较器A2的IN-端取样电流电压高于IN+端电流基准电压，里面的NPN三极管即刻导通，输出端OUT使T2的(G)栅极电压为零，场效应管T2即刻截止，从而达到过流保护功能目的。如果此时电路仍然处于过电流状态，由于电容C4的充放电作用，场效应管T2就处于饱和导通时间极短，截止时间长的开关震荡状态，长时间里电压调节器不发热、不烧毁，当过电流故障排除后，又能自动地恢复到正常工作状态。

利用串联型稳压储能电路10，在发电机高转速及大输出电流状态下抛负载电路产生瞬时间高电压时，由于W1及T1的稳压作用，使作用在双电压比较器电源VCC端电压、及触发场效应管(G)栅极的电阻R8的电流始终保持稳定不变，所以整个电路不会因产生瞬时高电压而损坏。

结合九管或十一管发电机工作时，当司机把电门锁置于IG位置及发动机处于静止状态时，发电机也就处于他激励磁状态，充电指示灯亮，利用单向导电隔离二极管9及串联型稳压储能电路10及电流基准电路6配合双负输入电流比较控制电路5，使场效应管T2处于饱和导通时间长，截止时间极短的开关震荡状态，当发电机开始转动，转速不大于1000r/min情况下，场效应管T2就转为完全饱和导通，发电机即刻转为完全发电状态，充电指示灯灭，从而达到发电机转速较低时就能开始发电的目的。

本实用新型的工作原理是：

先说明电路图中双电压比较器各个单元作用：

A1单元用于电压比较控制电路；

A2单元用于双负输入电流比较控制电路。

1、防倒流工作原理(注：配用于图3应用电路才有防倒流功能)

当司机把电门锁置于IG位置时，蓄电池的电压→经电门锁IG→保险丝→充电指示灯→调节器D+→发电机励磁线圈→调节器的F端，此时，由于C4两端电压不能突变，有一电流由调节器的F端→向C4充电→R9→被D2钳位使电压比较器A2的IN-端电压高于IN+端电压，A2里面的NPN三极管导通，A2的输出端OUT使场效应管T2的(G)栅极没有偏置电压，所以场效应管T2截止。

此时，调节器D+电流→D1→R4(经W1及T1稳压)，此时T1稳压导通，→向C2迅速充电，双电压比较器VCC电源端电压也迅速上升，达到一定电压时→击穿W3→通过R7→使W2两端电压也随之上升，由于C3端电压不能突变和R5、R6的分压作用，使电压比较器A2的IN+端电压高于IN-端电压，A2里面NPN三极管截止，由于R8的作用，A2的输出端OUT及T2的(G)栅极得到开启电压，场效应管T2由原来截止转为饱和导通，此时已充在C4上的电经T2的(D)漏极→(S)源极→RX→D3形成回路进行放电，由于T2导通，充电指示灯的灯丝及发电机励磁线圈有电流流过，充电指示灯亮，此时，调节器D+的端电压迅速下降，由于D1单向隔离导电作用，已充在C2的电能足以使场效应管T2维持饱和导通一定时间，到一定时间后C2电容上的电压逐渐下降时，电压比较器A2的IN+端电压也逐渐下降；C3向R5放电两端电压也在下降；场效应管T2的(G)栅极电压也在下降，当T2的(G)栅极电压下降至低于开启电压时，场效应管T2由原来完全饱和导通向不能饱和方面发展，T2的(D)漏极端电压上升，由于C4两端的电压不能突变，此时有一弱小电流向C4充电经→R9→使电压比较器A2的IN-端电压高于IN+端的电压，A2里面的NPN三极管导通，输出端OUT使T2(G)栅极电压即刻为零，场效应管T2转为截止。由于T2截止，受充电指示灯及发电机励磁线圈的上拉作用，此时，D+端电压和F端电压又即刻上升，D1及T1又导通向C2迅速充电，双电压比较器VCC电源端电压又迅速上升，重复以上过程。在此期间，如果司机把电门锁长期置于IG位置，场效应管就处于完全饱和导通时间长、截止时间极短的开关震荡状态，发电机的励磁线圈也就有断续的弱他激励磁电流流过，在转子磁爪上已产生有较弱的磁场，电路处于防倒流功能状态。

2、调节电压及充电指示灯控制原理(注：配用于图3应用电路才有充电指示灯控制功能)

当司机把电门锁置于ST起动位置时，发动机及发电机转动，转子磁爪上的弱磁场切割定子三相线圈开始发电，三个小励磁二极管开始有电压输出，使调节器D+电压上升，由于D+电压上升，场效应管的(G)栅极电压也迅速上升，使场效应管T2由开关震荡导通转为完全饱和导通。

此时，发电机转为自激加强励磁，输出电压继续上升，当发电机D+电压与B+电压持平时，充电指示灯的灯丝自然无电流流过，由原来亮转为灭，由于调节器D+电压上升，W2的稳压作用，在电压比较器A1的IN+端已建立了基准电压，当发电机的输出电压再继续上升，达到额定最高电压值时，电压取样电路R1同R2的分压使电压比较器A1的IN-端取样电压高于IN+端基准电压，里面的NPN三极管对地导通，输出端OUT使T2的(G)栅极电压为零，场效应管T2由原来饱和导通转为截止。

由于T2的截止，发电机不发电，受发电机励磁线圈的上拉作用，使调节的F端电压突然升高，此时有一电流向C4充电→经R9→被D2钳位→使电压比较器A2的IN-端电压高于IN+端电压，它里面的NPN三极管对地导通，输出端OUT使T2的(G)栅极电压继续为零，场效应管T2继续延时截止，随着电压的下降，电压比较器A1的OUT输出端提前翻转，到C4充完电后R9没有电流经过，此时D+端电压刚好下降到下限值，电压比较器A2即刻翻转，此时，在R8的作用下场效应管T2由截止又转为饱和导通，已充在C4上的电经T2的(D)漏极→(S)源极→RX→D3形成回路进行放电，由于场效应管T2的导通，发电机的输出电压又重新上升，如此反反复复，调节器始终使发电机的输出电压保持稳定。

3、过电流保护工作原理

在电路正常状态下，由于W2的稳压作用及R5和R6的分压作用，在比较器A2的IN+端上已建立10mV左右的基准电流电压，流经场效应管T2及电流取样电阻的电流不会超过额定值，在RX两端产生的压降小于10mV，所以RX不能起动电压比较器A2。在电压比较器A1起到调节电压作用翻转，使场效应管T2截止时，由于C4的充电作用，通过R9才使电压比较器A2翻转一下极短时间，这样不会影响电路的正常工作。

当电路不正常，在发电机励磁线圈出现逐渐性的匝间短路时，流经场效应管及RX的电流会不断逐渐增大，电流增大至场效应管即将承受不起时，RX两端电压上升至大于10mV，通过R10，使电压比较器A2的IN-端取样电流电压高于IN+端电流基准电压，里面的NPN三极管即刻导通，输出端OUT使T2的(G)栅极电压为零，场效应管T2即刻截止，由于C4的充电作用→经R9→被D2钳位使A2的IN-端电压延时高于IN+端电压，使场效应管T2延时截止，当C4充完电后R9没有电流经过，电压比较器A2的IN-端电压转为低于IN+端电压，里面NPN三极管由导通转为截止，输出端OUT在R8的作用下，使场效应管T2由截止又转为饱和导通，已充在C4上的电经T2的(D)漏极→(S)源极→RX→D3形成回路进行放电，此时，电路如果仍然处于过电流状态，重复以上的过程，在此期间，场效应管是处于导通时间特短，截止时间比较长的开关震荡工作状态，长时间里电压调节器不发热、不烧毁，当过电流故障排除后，又能自动地恢复到正常工作状态。

4、过电压保护工作原理

在发电机高转速大输出电流状态下抛负载，电路产生瞬时间高电压时，由于W1的稳压作用，T1发射极的输出端电压始终保持稳定不变，所以集成电路双电压比较器及场效应管(G)栅极不会因电路产生高电压而损坏。

Claims (8)

1、一种带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，包括电源正极端子D+、励磁线圈端子F、负极地端子E，其特征在于：该电压调节器还包括有续流二极管(1)、场效应功率开关管(2)、电流取样电阻(3)、电压比较控制电路(4)、双负输入电流比较控制电路(5)、基准电流电路(6)、基准电压电路(7)、电压取样电路(8)、单向导电隔离二极管(9)、串联型稳压储能电路(10)，其中控制电路的核心部分采用两个电压比较器，其中一个电压比较器用于电压比较控制电路(4)，另外一个电压比较器用于双负输入电流比较控制电路(5)，两个电压比较器的输出端OUT与场效应管的G栅极相连接；所述的单向隔离二极管(9)即是D1，它接在电源正极端子D+与串联型稳压储能电路(10)的输入端之间，在电路中起单向隔离导电作用；所述的串联型稳压储能电路(10)，由电阻R3和R4、稳压管W1、三极管T1、电容C2组成，该电路接在单向隔离二极管(9)的输出端与负极地端子E之间，并且可以为基准电压电路(7)、电压比较控制电路(4)、双负输入电流比较控制电路(5)提供电源，其中T1的发射极即是电路的输出端。

2、根据权利要求1所述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，其特征在于：所述的基准电压电路(7)，由稳压管W2和W3、电阻R7组成，它接在串联型稳压储能电路(10)的输出端与负极地端子E之间，其中电阻R7与稳压管W2之间的连接点即是它的输出端，其输出端接于电压比较控制电路(4)的电压比较器的IN+端。

3、根据权利要求1所述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，其特征在于：所述的基准电流电路(6)，由电阻R5和R6、电容C3组成，它接在基准电压电路(7)的输出端与负极地端子E之间，其中电阻R5和R6之间的连接点即是它的输出端，其输出端连接于双负输入电流比较控制电路(5)的电压比较器的IN+端。

4、根据权利要求1所述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，其特征在于：所述的场效应功率开关管(2)即是T2，是N沟道型场效应管，其漏极D与发电机励磁线圈端子F相连接，栅极G与双电压比较器的两个输出端OUT相连接，用于控制发电机励磁线圈电流的通断。

5、根据权利要求1所述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，其特征在于：所述的电流取样电阻(3)即是RX，接在场效应管的输出端源极S至负极地端子E之间，用于检测流经场效应功率开关管的电流。

6、根据权利要求1所述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，其特征在于：所述的双负输入电流比较控制电路(5)，由一个电压比较器、二极管D2和D3、电阻R9和R10、电容C4组成，其有两个负输入端，其中一端通过电容C4与励磁线圈端子F相连接，另外一端通过R10与场效应管的源极S相连接。

7、根据权利要求1所述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，其特征在于：所述的电压比较控制电路(4)，由一个电压比较器、电阻R8组成，其中的电压比较器的IN-端同电压取样电路(8)的输出端相连接；其中电阻R8连接在两个电压比较器的电源端VCC与输出端OUT之间，用于触发场效应管T2导通。

8、根据权利要求1所述的带过流过压保护低功耗三线外搭铁电压调节器，其特征在于：所述的电压调节器可通用于六管或八管外搭铁式发电机车型电路所配用的，外装式三线外搭铁电压调节器。

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