Разработка монокристального монофункционального регулятора напряжения для бортовой сети автомобиля (стр. 5 из 10)
3.3 Компаратор напряжения
Компаратор напряжения выполняет функцию сравнения двух напряжений и в зависимости от результата сравнения выдает на своем выходе тот или иной сигнал.
В схеме регулятора напряжения компаратор нужен для сравнивания напряжений, снимаемых с измерительного элемента – резистивного делителя напряжения (п. 3.4.) и формирователя эталонного пилообразного напряжения. Выход компаратора напряжения подключен к управляющему триггерному устройству (п.3.7.).
Принципиальная электрическая схема компаратора напряжения, используемого в рассматриваемом регуляторе напряжения, приведена на рис.3.3.1.
Компаратор напряжения состоит из 2–х пар n-p-n-транзисторов, включенных по схеме дифференциальных каскадов (VT18-VT21). Базы транзисторов VT19 и VT20 через резистор R26 соединен между собой. Блок транзисторов VT18 и VT21 служат входами компаратора. На транзистор VT18 подается сигнал с резистивного делителя напряжения, а на базу транзистора VT21 через резистор R27 подается эталонное напряжение с формирователя "пилы". Узлы, собранные на транзисторах VT12 – VT17 и резисторах R21 – R25 предназначены для регулирования и нормирования токов, протекающих через транзисторы VT18 – VT21. К общим точкам эмиттеров транзисторов VT18 – VT21 на землю подключены источники тока, собранные на транзисторах VT26 и VT29 n-p-n- типа, режимы работы которых задаются с помощью транзисторов VT23 – VT25, VT27 – VT28 и резисторов R28 – R32. Результирующее напряжение снимается со 2 – го дифференциального каскада с коллектора транзистора VT20 и подается на транзистор VT22, который и управляется данным сигналом. Выходное напряжение снимается с делителя напряжения R33 – R34 и подается на базу транзистора VT30, который совместно с резисторами R35 и R36 предназначены для согласования работы аналоговой части схемы с цифровой частью (интегрально – инжекционной логикой). С баз транзисторов VT24 – VT26 снимаются напряжения для задания режимов работы блока защиты 1 от перенапряжения в бортовой сети автомобиля. С базы транзистора VT 20 снимается сигнал, управляющий работой блока защиты 1.
Компаратор напряжения работает следующим образом. Положим напряжение на базе транзистора VT18 (на выходе делителя напряжения) статичным во времени, а на базе транзистора VT21 изменяющимся во времени. Если напряжение на базе транзистора VT21 выше, чем на базе транзистора VT18, то на коллекторе транзистора VT20 присутствует потенциал, достаточный для открытия транзистора VT22 и, соответственно увеличения напряжения на базе транзистора VT30, в результате чего на выходе компаратора будет присутствовать низкий логический уровень ("0").
В определенный момент времени транзистор VT21 закроется из-за уменьшения напряжения на его базе. Из-за этого закроется транзистор VT20 (благодаря токовому зеркалу VT14-VT15) и потенциал на его коллекторе увеличится, что приведет к закрытию транзистора VT22 и уменьшению потенциала на базе транзистора VT30, который закроется и на выходе компаратора будет присутствовать уровень логической "1", который приведет к переключению триггерного устройства.
Рис. 3.3.1. Принципиальная электрическая схема компаратора напряжения
Работа компаратора была смоделирована и проверена на ПЭВМ в программе DesignLab8.0. Питание компаратора – от стабилизатора напряжения (п. 3.9.) с напряжением стабилизации 5,7 В.
3.4 Резистивный делитель напряжения
Резистивный делитель напряжения выполняет функцию измерительного элемента, который производит считывание и преобразование напряжения в бортовой сети автомобиля.
Принципиальная электрическая схема делителя напряжения приведена на рис. 3.4.1.
Делитель напряжения представляет собой последовательную цепочку резисторов. Часть резисторов в первоначальный момент закорочена тонкими металлическими перемычками, которые при пропускании через них электрического тока порядка 1 А перегорают, тем самым вводя в работу делителя напряжения определенный резистор. С резистора R48 снимается преобразованное измеренное напряжение в бортовой сети автомобиля, величина и порядок которого выбирается исходя из согласования с работой компаратора.
Перемычки на резисторах предназначены для настройки регулятора на номинальное напряжение настройки (Q = 2 ± 0,1), равное 14,1 ± 0,1 В.
Резисторы в делителе напряжению имеют определенный вес от общей величины сопротивления всей резистивной цепочки для удобства настройки на нужную величину напряжения.
Для анализа процесса настройки делителя напряжения перейдем к схеме делителя напряжения, показанной на рис. 3.4.2.
Максимальное сопротивление резистора R* при всех разомкнутых перемычках R
= 26,9375, а минимальное R 
= 19 (в относительных единицах). Напряжение на выходе делителя будет равно:Uвых =
;где Uвх1 – напряжение первоначальной настройки.
При Uвх = 14,1 В ± 0,1 В напряжение на выходе делителя должно сохраняться таким же, как и при Uвх1. Этого можно достигнуть путемпережигания соответствующих перемычек.
Таким образом, получаем:
= 
;при R
= 19 и R48 = 4 получаем:RX =
- 4.Далее определим величину изменения резистора R1:
∆R = RX - R
= RX- 19.∆R набирается путем пережигания перемычек между контактными площадками 5 – 6, 6 – 7, 7 – 8, 8 – 9, 9 – 10, 10 – 11, 11 – 12 током порядка 1,5 А по принципу включения наибольшего веса, находящегося в ∆R.
Стабилитрон, выполненный на обратносмещенном p-n-переходе с напряжением стабилизации UСТАБ = 6,5 В – 7 В предназначен для защиты от перенапряжения на выходе резистивного делителя.
Топологически резисторы в составе делителя напряжения выполнены в виде линейки, расположенной вместе с контактными площадками для пережига на периферии кристалла. Резисторы образованы в результате диффузии резистивного материала в кремний с поверхностным сопротивлением RSРЕЗ = 2,0 кОм/□.
3.5 Блок защиты от перенапряжений в бортовой сети автомобиля
Рассмотренный ниже блок защиты 1 предназначен для защиты бортовой сети автомобиля от перенапряжений в ней. В этом случае при превышении напряжения в бортовой сети выше определенного уровня (порядка 18 – 20 В) данным блоком вырабатывается сигнал, подаваемый на триггерное устройство (п. 3.7.), который полностью блокирует работу схемы, закрывая выходной транзистор и тем самым полностью прекращая протекание тока через обмотку возбуждения генератора. После уменьшения напряжения в бортовой сети работоспособность схемы автоматически восстанавливается.
Принципиальная электрическая схема блока защиты от перенапряжений в бортовой сети автомобиля отображена на рис. 3.5.1.
Данный блок защиты работает следующим образом. Когда напряжение в бортовой сети автомобиля не превышает определенного значения, то с выхода компаратора снимается напряжение, недостаточное для открытия транзисторов VT36 и VT34, то есть эти транзисторы закрыты и в средней точке делителя напряжения R56 и R62 оказывается низкое напряжение, соответствующее логическому "нулю". В случае превышения напряжения на блок защиты подается напряжение, которое открывает транзистор VT36, а затем и транзистор VT34. В результате этого падение напряжения на транзисторе VT34 уменьшается, а на выходе блока увеличивается до логической "1", которая и блокирует работу всей схемы.
На базы транзисторов VT42, VT31–VT33 подается напряжение с компаратора, необходимое для задания режимов работы блока защиты. Со второго коллектора транзистора VT33 снимается напряжение и подается на выходной каскад (см. п. 3.8.) также для задания режимов его работы.
Эмиттер транзистора VT41 подключается к датчику температуры. Этим обеспечивается зависимость полного закрытия выходного транзистора от температуры. То есть, если учесть отрицательный температурный коэффициент напряжения, снимаемого с датчика температуры, то с увеличением температуры будет падать потенциал на коллекторе транзистора VT41, что будет говорить о необходимости меньшего потенциала на базе транзистора VT36, нужного для его открытия, то есть этим самым будет обеспечиваться закрытие выходного транзистора с повышением температуры при меньших напряжениях в бортовой сети автомобиля, и, наоборот.
Рис. 3.5.1. Принципиальная электрическая схема блока защиты от перенапряжений
Напряжение питания данного блока равняется 5,7 В. Работа блока защиты была смоделирована и проверена на ПЭВМ в программе DesignLab8.0. В результате моделирования выявлено напряжение срабатывания рассматриваемого блока. Оно равняется U = 20 В.