TW200929773A - Short circuit protection device for alternator - Google Patents

Description

200929773 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與發電機之電壓調節器有關，特別是指一種 具有短路保護功能之短路保護裝置。 5【先前技術】 凊參閱如第一圖所示一般車用交流發電機（alternator ) 1 ’發電機轉子（rotor)之激磁線圈（field coil) 10經由集 ❹ 電環（slip ring)及碳刷（brush)使線圈兩端得以與電壓調 節器（Voltage Regulator，VR) 20及由蓄電池所供應之直 ίο流電源30電性連接，當調節器20内部電路為正常狀態下， 激磁線圈10得以形成激磁電流（field current)並對應轉子 之轉動於發電機定子（stator)產生感應磁場，定子線圈η 經感應後產生的交流電流則經整流器12作直流整流後對蓄 電池充電並對汽車電器供電；因此只要發電機1於正常運 15作下’即可由調節器20監控蓄電池之電位以調節轉子線圈 ❹ 10之操作’再透過定子線圈11及整流器12對蓄電池充電， 使蓄電池維持有相當之電量提供車用電器之正常運作。 請參閱如第二圖所示之調節器20，蓄電池之直流電源 30經功率電晶體（Power Transistor，PTR) 21之基極輸入 20端而導通功率電晶體21，可導通轉子線圈1〇之激磁電流使 蓄電池得以進行充電，當蓄電池之電量充過一定之飽和電 位後’分壓電位對應形成於積納二極體22之跨電壓則可達 到積納崩潰之臨界電壓因而導通後級之開關電晶體23，並 將功率電晶體21之控制基極下拉至電路之電位低點使功率 4 200929773 電晶體21截止運作，進而不再形成激磁電流對蓄電池充 電’直至蓄電池之電量消耗至不足以導通積納二極體22之 電位1再度使功率電晶體21導通運作並使蓄電池充電，故 此，知器20可避免發電機1對蓄電池過渡充電而減少蓄電 -5池壽命，具有穩定蓄電池正常運作之功能。 然而，車體啟動後之震動環境配合轉子不斷轉動時， ❹ 轉子上所緊畨纏繞的漆包線則容易發生表面絕緣漆料磨損 :使金屬芯外露，—旦碳刷賴掉落的石墨屑、線路焊接 部位掉落的錫渣或其他任何導電物質掉落則致使轉子線圈 1〇 1〇發生局部短路或完全短路之現象，縱使上述調節器20 會因短路之激磁電流增加使發電機過度發電，再因蓄電池 電=上升後造成積納二極體22獲得導通電壓，故而使短路 電斷開，然只要蓄電池電位降低至功率電晶體21需導通 時，短路電流會再次流經功率電晶體2卜如此在短路狀況 g| 15未排除前，功率電晶體21不斷處於過大電流的導通與截止 間切換而使調節器20發生短路振盪，致使功率電晶體21 之内部接面結構承受不住此突波短路電流而燒毁，或者使 轉=線圈1G電流過大，超出功率電晶體21的負荷，造成 功f電晶體21之損毀，進而使發電機過度發電，造成供給 2〇過高電麗至汽車上的電器產品以導致損壞。 【發明内容】 因此本發明之主要目的乃在於提供一種發電機之短 路保護敦置，可穩定的控制短路保護且具有極低的電路功 5 200929773 率消耗。 為達成前揭目的，本發明所提供之一種發電機之短路 保護裝置，係與發電機之激磁線圈相耦接，具有可控制導 通或截止之一觸發開關，使上述激磁線圈形成之激磁電流 5對應導通或截止發電機之發電運作，更包含有一偵測元 件、一升壓電路及一截止元件，該偵測元件具有極低的電

阻值，可降低激磁線圈能量的消耗，該升壓電路之輸入、 輸出端分別電性連接該偵測元件及截止元件，導通該觸發 開關則上述激磁電流流經該偵測元件，當發電機因為激磁 10線圈短路等情況而造成激磁電流瞬間增大時，該偵測元件 偵測到升壓信號並由升壓電路之輸入端輸入，於該升壓電 路中穩定快速的儲存此升壓之電位能及驅動該截止元件使 強制關閉該觸發開關，並保持該升壓電路輸出端之電位一 段時間使該截止it件能確保完全導通而觸發開關持續關 15閉，維持該發電機不繼續發電運作，直到短路狀態排^篇 重置電路狀態。 ‘、π于、再 【實施方式】 以下，茲配合若干圖式列舉一最佳實施例，用以 20發明之組成構件及功效作進一步說明，其中所用各圖式 簡要說明如下： 之 第三圖係為本發明最佳實施例所提供短路保護 設於發電機之電路裝置示意圖； 裝 第四圖係為上述最佳實施例所提供短路保護裝置之電 6 200929773 路結構示意圖。 請參閱如第三圖所示，為本發明最佳實施例所提供一 短路保護裝置2，用以監控發電機丨激磁線圈1〇所產生之 激磁電流大小，以維持發電機1之正常運作，係以一電源 5端組201電性連接發電機1之碳刷並自蓄電池獲得電路操 作所需之直流電位30，該短路保護裝置2包括有一觸發電 路40、一偵測元件50、一升壓電路6〇、一截止元件7〇及 一穩壓電路80，其中： 凊配合第四圖參照，該觸發電路4〇具有一觸發開關41 10及一觸發電阻42,該觸發開關41具有高功率輸出之操作條 件，用以承受並驅動大電流之導通運作，可為如本實施例 所使用之雙極性接面電晶體（BJT)，或者使用具有低功耗 特性之金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide

Semiconductor ’ CMOS )或 Bi，CM0S ( Bipolar-CMOS )等 15製程之功率電晶體於本發明皆可具有等效之應用，該激磁 線圈10之電流輸出端即電性連接該觸發開關21，當蓄電池 所提供之直流電位30經該觸發電阻42分壓以達到該觸發 開關41之基極導通電位時，則對應使該激磁線圈1〇形成 導通電流迴路而產生激磁電流，故該觸發開關41之導通或 20截止係對應形成激磁電流之導通或截止。 該偵測元件50為用以偵測經該觸發開關41導通之激 磁電流大小’可為如本實施例所使用之電阻元件，具有極 低之電阻值以避免發電機在正常運作下導通之激磁電流於 該偵測元件50徒增功率消耗。 7 200929773 5 ❹ 10 . 15❿ 20 該升壓電路60具有一輸入端601、一輸出端602、二 升壓電阻61、62、一感應端603以及一單向充電電路63， 該二升壓電阻61、62串接該觸發電路40之觸發電阻42及 該偵測元件50，具有降低分流及壓差感應之作用，不致使 直流電位3 0於此串接迴路之分路電流過高而徒增電路功耗 及誤動作機會的產生，且當過高之電流通過該偵測元件5〇 而提升該輸入端601之電位時，該升壓電阻62亦可感應升 壓而提升該感應端603電位使該充電電路63之輸入電位升 咼，該充電電路63可由如本實施例所提供之一 p_N型二極 體631、一電容632、一電阻633構成，該二極體631用以 限制該充電電路63自該感應端603輸出電流，藉由該電容 632保持該輸出端6〇2之電位一段時間，不致當輸入端6〇ι 之電位降低時自該感應端603放電，並在該感應端6〇3電 位更高於電容器儲存電位時持續充電使該輸出端6〇2可同 時感應輸入端601電位的對應提升。 該戴止元件70為感應該升壓電路60輸出端6〇2之電 位而運作，可如本實施例所提供之矽控整流器（SCR),或 者具有開關特性之電晶體元件皆可具有本發明之功效，該 矽控整流器之電位輸入閘端為控制端7〇1，電性連接該升壓 電路60之輸出端602，該矽控整流器之電流輸入、輸出節 點為上、下導流端702、703 ,分別電性連接該觸發電路4〇 之觸發開Μ 41及接地電位’當該控制端7〇1感應該升壓電 路6〇輸出端602之電位升高至矽控整流器閘端之導通臨界 電位時，該上、下導流端7〇2、703即相互電性導通，並將 8 200929773 該觸發開關41之基極輸人電位下拉至接地電位，因而強迫 使該觸發開關41戴止運作。 該穩壓電路80即如習用電壓調節器之功能，由二分壓 電阻81及一積納二極體82感測蓄電池之電位，因此控制 5導通或戴止後級開關電晶體83之運作，以導通或截止觸發 開關41而有效調節蓄電池之充電狀態。 綜合上述可知’當發電機1因為激磁線圈10短路等情 況，造成激磁電流瞬間增大時，該偵測元件5〇偵測到升壓 信號並輸出至該升壓電路6〇之輸入端6〇1，於該感應端6〇3 ίο感應升壓後，該充電電路63先經由該電容632、電阻6幻 穩定快速的儲存能量及延長訊號能量，再配合該二極體632 避免電流逆向輸出該感應端6〇3,以確保穩定的驅動該截止 7C件7〇然後強制關閉該觸發開關41，並保持該輸出端6〇2 之電位使該截止元件70持續導通而該觸發開關41持續關 15閉，維持該發電機1不繼續發電運作，直到短路狀態排除 再將該充電電路63之電容632完全放電以重置電路狀態； 因此在該偵測元件50與截止元件7〇之間，藉由該升壓電 路60之單向充電電路63可避免因為短路保護動作後但短 路狀態尚未排除時，該觸發開關41截止使該偵測元件5〇 2〇原本對應產生之升壓信號降低，反而又使該截止元件7〇之 控制端701電位下降，當該截止元件7〇無法持續導通而誤 使回覆至原本關閉狀態則該觸發開關41再次導通動作，造 成電路系統持續開關震盪而損壞各電晶體開關元件。 因此’本發明所提供之短路保護裝置使用極微小功率 9 200929773 的激=之正常運作’大大 作後唯梓心降 誤動作的發生’使短路保護線路動 後維私路保護的狀態直到短路狀態排除。 Ο 唯，以上所述者，僅為本發明之較佳可行實施例而已， 故舉凡應用本發明制書及㈣專職騎為之等效結構 變化，理應包含在本發明之專利範圍内。 200929773 【圖式簡單說明】 第一圖係習用電壓調節器裝設於發電機之電路裝置示 意圖； 第二圖係為上述習用發電機與電壓調節器之電路結構 5不意圖， 第三圖係為本發明最佳實施例所提供短路保護裝置裝 設於發電機之電路裝置示意圖； 〇 第四圖係為上述最佳實施例所提供短路保護裝置之電 路結構示意圖。 10 10激磁線圈 201電源端組 40觸發電路 42觸發電阻 60升壓電路 602輸出端 61、62升壓電阻 631二極體 633電阻 701控制端 703下導流端 81分壓電阻 83開關電晶體 15 負 〇 【主要元件符號說明】 1發電機 2短路保護裝置 30直流電位 41觸發開關 50偵測元件 601輸入端 603感應端 63充電電路 632電容 70截止元件 702上導流端 80穩壓電路 82積納二極體 11 20

Claims (1)

1. 200929773 十、申請專利範圍： 1 種發電機之短路保護裝置，用以控制發電機激 磁線圈所產生之激磁電流，係包括有： 一電源端組’與上述激磁線圈相耦接且電性連接直流 電源以獲得直流電位； 5 觸發開關’電性連接上述激磁線圈，該觸發開關之 導通或截止係對應形成上述激磁電流之導通或截止； ❹ ❹ 一偵測7L件，兩端分別電性連接該觸發開關及接地電 位導通該觸發開關則上述激磁電流流經該偵測元件； 、一升壓電路，具有—輸人端及-輸出端，該輸入端電 [0 f生連接該偵測元件之電流輸入節點，該輸入端之電位增加 時可對應提升該輸出端之電位，該輸入端之電位降低時該 輸出端之電位維持不變；以及， ° 一截止元件，具有一上、下導流端及一控制端，該上、 下導流端分別電性連接該觸發開關及接地電位，該 5 Ϊ性連接該升壓電路之輸出端，當該控制端之電位 定之-臨界電位時該截止元件即導通運作，使該上、下導 流端相互電性導通，並使該觸發開關截止運作。 2.依據申請專利範圍第丄項所述之短路保護裝 該觸發開關為以雙極性接面電晶體或金屬氧化物 : :〇兩者整合之製程技術所擇一製成。 虱 3·依據申請專利範圍第i項所述之短路保護 該觸發開關導通後與接地電位之電位差為上述激磁， 激磁電流流經該偵測元件產生之電壓。 之 4 .依據申請專利範圍第i項所述之短路保護装置， 12 200929773 該升壓電路具有至少一升壓電阻電性連接該輪入端且與該 偵測元件串聯，該偵測元件之電阻值小於該至少_升壓二 阻。 5 ·依據申請專利範圍第4項所述之短路保護裝置， 5該升壓電路具有二升壓電阻，分別電性連接該觸發開關且 與該偵測元件串聯。

   6 ·依據申請專利範圍第4項所述之短路保護装置， 該升壓電路具有一二極體’該二極體之正極端電性連接該 至少一升壓電阻。 μ 10 7 ·依據申請專利範圍第6項所述之短路保護裝置， 該升壓電路具有一電容，電性連接該二極體之負極端。 8 ·依據申請專利範圍第7項所述之短路保護裝置， 該升壓電路之輸出端與該二極體之負極端串聯一電阻。 9 ·依據申請專利範圍第1項所述之短路保護褒置， is該截止元件為一開關電晶體元件，導通該截止元件之上述 臨界電位即為該開關電晶體元件之導通限電位（λ她心 她age)，該上、下導流端分別為該開關電晶體元件導通後 之電流輸入、輸出節點。 20 置止第保護裝 該控制端。 器，該矽控整流器之閘端為 13