专利名称:汽车用发电机的电压调节器的制作方法
本发明涉及发电机的电压调节器，更具体地说，涉及一个适用于对汽车上的电池进行充电的充电发电机的电压调节器。
如同在(例如)日本专利公开公报No.55-37843(1980)中所公开的内容，发电机的常规电压调节器是根据电池的温度特性通过几个差动放大电路和几个限流电路的组合而进行电压调节。然而，由于这种调节器使用两个运算放大器，器件的数目大，当该调节器由单片式集成电路生产时其芯片面积大，因而生产成本高。
例如，在美国书No，3，469，168中所公开的内容中常规的电压调节器包括两个电压检测电路系统，以便防止由发电机充电的电池的电压检测端脱落而引起的电压控制故障，然而，由于两个系统很可能具有相互不同的温度特性，附加电压的检测最好是在正常发电时进行，并且，电池的电压不能随时进行精确的控制。
本发明的一个目的是提供一个电压调节器，该调节器可根据电池的温度特性进行电压调节，并且，与先有技术相比具有较少的元件。
根据本发明，以摸拟方式计算出一个电压点上电压随温度的变化以及该电压点的最大殖和最小值，以便通过使用由整流器构成的一个最小值电路和一个最大值电路来提供最大值和最小值，具体地说，其它整流器以及流过这些整流器的电流受到控制，以抵消电压下降的不平衡。
图1是根据本发明的第一实施方案的一个充电发电机的电路图;
图2是一个电路图，详细地示出图1中的比较电路;
图3是图1中电路的温度特性图;
图4是根据本发明的另一个实施方案的一个参考电压发生电路的电路图;
图5是一个示意图，用于解释图4中所示电路的运行;
图6是根据本发明的再一个实施方案的一个充电发电机的电路图。
在图1中，参考号1代表一个发电机的电枢绕组;2是一个三相全波整流器;3是一个磁场绕组。参考号4代表一个附加整流器;5是一个电池;6是一个按健开关;7是一个充电指示灯。参考号8代表一个由混合集成电路构成的电压调节器;9是一个参考电压发生电路10是装在混合集成电路上的一个单片集成电路;11是一个功率管12是一个续流二极管;13是一个初始激励电阻;14和15是电阻;16a和16b是分压电阻。参考号17代表一个比较电路。其内部电路包括PNP晶体管171，172，173，多集电极PNP晶体管174，NPN晶体管175到183，和电阻184到187。除了参考电压发生电路9和比较电路17之外，单片集成电路包括一个由齐纳二极管20，晶体管21，22，电阻23和晶体管24，25，26构成的电源电路。参考电压发生电路9是由单片集成电路上的厚膜电阻91，92，93，94，95和晶体管101到108所构成。
以下给出上述电路的运行。当上述结构中的按键开关6被接通时，电池5的电压被施加给IG端，齐纳二极管被激励并产生单片集成电路的一个电源电压Vcc。在此，晶体管21和22作为二极管起作用，因为它们的集电极分别与基极短路。电池5的电压被施加到S端，由分压电阻16a，16b分压，并通过比较电路17与一个参考电压Vref相比较。当发电机保持停止时，电池5的电压很低，这样分压Vs′低于参考电压Vref′，比较电路17的输出为高电平并且功率管11导通。这时，一个电流从由充电指示灯7和初始激励电阻13构成的一个并联电路通过磁场绕组3而流过，由此执行初始激励。然后，充电指示灯7发光。
下一步，当发电机开始旋转时，在电枢绕组1上产生一个电压，并且通过附加整流器4将一个激励电流施加给磁场绕组3，由此进入自激状态。由于L端电压在这时升高，充电指示灯7被关断。当发电机发出的电压进一步上升时，电池5的电压变得更高。当分压点的电压Vs′达到Vref′时，比较电路17的输出电压降为一个低电平而功率管11被截止。功率管11被截止时，流经磁场绕阻3的电流通过续流二极管12被衰减，而发电机的输出电压也根据这一电流值而下降。当发电机的输出电压下降时，电池5的电压也下降，并且，当Vs′变得低于Vref′时比较电路17的输出变为高电平，这样功率管11变为导通态，磁场电流上升而输出电压也上升。这些运行是重复的，而电池5的电压被自动地调节以使分压点的电压VS′等于Vref。
电池5的调节电压由以下等式(1)和(2)导出的等式(3)所表示的关系所决定VS′= (Rb)/(Ra+Rb) ·Vs……(1)Vs′＝Vref ……(2)
VS=(1+ (Ra)/(Rb) )·Vref ……(3)其中Ra电阻16a的阻值，Rb电阻16b的阻值，Vs调节电压。
以下，参考电压ref随温度的变化方式将在下文中给予详细的解释。
由于晶体管101-103的集电极与基极短路，所以这些晶体起二极管的作用。其电压值随温度变化，而电阻91和92之间的结点上的电压V1也随温度改变。除非Vcc随温度变化，电阻94和95之间的点上的电压V2不变化，硅二极管的PN结正向电压一般具有一个负温度斜率，这样在较低温度时电压较高。当晶体管101-103的结温度足够低时，晶体管101的集电极电压不会超过V1，并且基本上没有电流流过晶体管101-103。因此，电压V1在低于一个特定温度值的温度条件下不会改变，并表现出低温饱和特性。
下一步，晶体管104和105也作为二极管起作用。当V1高于V2时，晶体管104导通，而当V2高于V1时晶体管105导通。因此，V3可表示为以下形式V3＝max(V1·V2)-VBE ……(4)其中VBE晶体管的基极-发射极电压。
另外，晶体管106也作为一个二极管起作用，并且总有一个恒定电流流过这个二极管。因此，Vref比V3高出VBE，并且可表示为以下形式Vref＝V3+VBE＝max(V1，V2) ……(5)换句话说，通过晶体管106的运行补偿了由于晶体管104或105造成的电压下降。
由于晶体管101的集电极电压在高温时下降，V1也随着温度上升而下降。这里，如果V2被设定为在常温下低于V1，那么即使V1在高温时下降Vref也不会变得低于V2，因此，Vref表现的特性在低温和高温范围内进入饱合，如图3中由虚线所代表。
当晶体管106的电压下降等于晶体管104或105的电压下降时等式(5)成立。然而，晶体管的基极至发射极电压一般由下式表示VBE≈ (kT)/(q) ln (Tc)/(AE·Io) ……(6)其中k玻耳 曼常数T绝对温度q电量Ic集电极电流AE发射极面积Io漏电流如果在同一集成电路芯片内保证了相同的发射极面积并引起相同的电流在流动，温度的影响可被忽略。
在图1所示的电路中，由基尔霍夫定律可建立以下等式I1+I2＝I3……(7)其中I1流过晶体管106的电流I2流过晶体管104的电流(在低温或中等温度下)或流过晶体管105的电流(在高温下)I3流过晶体管108的电流。
在以下条件下I3＝2I1……(8)I1＝I2……(9)因此，晶体管106的电压下降值等于晶体管104或105的电压下降值，而等式(5)可恒定地成立。这里，晶体管25的电流值与晶体管26相等，而晶体管26的电流值由于电流镜象效应与晶体管107相等。因此，如果忽略流入比较电路17的电流，晶体管107的电流值与晶体管106的电流值相等，其结果是，I1等于流经晶体管25的电流值，由于晶体管25的VBE与晶体管108的VBE相等流过晶体管108的电流变为晶体管25的两倍，如果晶体管108的发射极面积被设定为等式(6)中的两倍，即可满足等式(8)。
从本发明的电路获得的温度特性可被定量地分析如下。首先，电阻值按以下列出的方式确定。
R1电阻91的阻值R2电阻92的阻值
R3电阻93的阻值R4电阻94的阻值R5电阻95的阻值在低温下饱合电压VH等于由电阻91和92对Vcc分压而获得的电压，并且可被表示为以下形式Vref(在低温下)＝VH= (R2)/(R1+R2) ·Vcc ……(10)另一方面，在高温下的饱合电压VL等于V2，并可被表达为以下形式Vref(在高温下)＝VL= (R5)/(R4+R5) ·Vcc ……(11)在常温下，Vref等于V1并可被表达为以下形式Vref(在常温下)＝V1……(12)这里，因为V1+R1· ( (V1-3VBE)/(R3) + (V1)/(R2) )=Vcc ……(13)V1按下式给出V1=V cc +R1R2·3·VBE1+R1R2+R1R3……(14)]]>
相对于温度的变化，V1的变化量(即V1的温度系数)可通过利用VBE做为T的函数，计算V1对T的偏微分而求得，并且可表达为以下形式
δVBE/δT可通过等式(6)对T求偏微分而按以下方式计算
这里，Vref和一个实际调节的电压具有由等式(3)提供的比例关系，通过提供适当的电路常数进行特性计算的结果在图3中由虚线示出。这里，电路的常数如下Ra/Rb6.53，R110KΩ，R23.95KΩ，R33.7KΩ，R410KΩ R53.5KΩ，AE100μm2，Io3.64×10-16A。
图3中由实线表示的曲线代表测量值，其斜率在临近0℃和100℃处与计算值相比不够线性。这是由于在低温，中温和高温之间切换时VBE表现出非饱合特性这一事实所造成，但这并不产生任何实际问题。以上做为先有技术的一个实例引用的日本专利公开公报No.55-37843中的调节器表现了类似的特性，因为它也将晶体管的正向特性用于限流电路。
本实施方案可将构成具有温度特性的参考电压发生电路的晶体管数目从先有技术中的17个减少到本装置中仅有的8个。因此，单片集成电路的芯片面积可减少而生产成本也可减少。在常规的调节器中用于同外部电阻连接的接线端为4个，本实施方案将其减为3个。这里接线端的数目对应于集成电路芯片焊接区的数目。因此，由于接线端的数目减少，焊接区的数目可减少，这样可简化生产步骤，因而降低生产成本。由于最大值电路与最小值电路相互结合，可使厚膜电阻的功能微调更容易。
图4示出本发明的另一实施方案。在图4中，图1中的参考电压发生电路9的部分被改进并由一个改进的电路9a来代表。在图4中参考数字91a，92a，94a，95a也分别是分压电阻。参考数字93a和96a代表电阻，参考数字109，110，111和112代表NPN晶体管。其它的部分与图1中相同。在这一结构中，只有电阻96a和93a的结点处的电压V2′随温度变化，但不论温度如何V1和V3保持不变。
与第一实施方案中的形式相同，晶体管104和105的结点处的电压V4可表示为以下形式V4′＝max(V2′，V3′)-VBE ……(17)因为晶体管109和110的发射极电压中较低的一个电压被发射，在晶体管109和110的结点处的电压V5′可表示为以下形式V5′＝min(V4′+VBE，V1′)+VBE ……(18)将等式(17)代入等式(18)时，V5′＝min〔max(V2′，V3′)，V1′〕+VBE ……(19)
因此，通过从V5′中减掉晶体管112的正向电压下降值VBE而将Vref按以下形式给出Vref＝V5′-VBE＝min〔max(V2′，V3′)，V1′〕 ……(20)等式(20)将参照图5进行解释。如果V1′和V3′被设为以下方式以满足关系V3′＜V2′＜V1′ ……(21)在常温下，等式(20)的Vref表现出由图5中的实线所代表的特性，并等效于本发明的第一实施方案。
这里，只有当流经每一晶体管的电流相等时，等式(20)才可按与第一实施方案中相同的方式成立。在图4中，流经每一晶体管的电流如下I1′流经晶体管107的电流，I2′流经晶体管109的电流，I3′流经晶体管104(在高温下)或晶体管105(在低温和中间温度下)的电流，I4′流经晶体管111的电流，I5′流经晶体管112的电流，I6′流经晶体管110的电流。
那么，从基尔霍夫定律可建立下列等式
这时，如果假定下列条件成立，
可以获得下列等式I2′＝I3′＝ 1/2 I1′ ……(26)I5′＝I6′＝ 1/2 I1′(仅在低温下) ……(27)这样即确定等式(20)可以满足。
虽然元件的数目大于第一实施方案，本实施方案可通过调整分压电阻的比值设定V1′和V3′，并可通过电阻93a和96a独立于V1′和V3′而设定温度斜率。因此，可以更容易地进行厚膜电路的功能微调。
以下，将参考附图中的图6描述本发明的另一个实施方案，图6是一个充电系统的电路图，该系统包括由发动机(未示出)驱动的一个发电机。
在该图中，参考号1代表发电机的电枢绕组;3是一个磁场绕组，该绕组为电枢绕组1提供磁通量;2是一个三相全波整流器，用于将电枢绕组1的交流输出转换为直流电流;4是一个附加整流器;5是电池，该电池5与三相全波整流器2连接并由其充电，并且还向一个外部负载(未示出)供电，参考号6代表一个按键开关;7是一个充电指示灯。参考号8代表一个电压调节器，该调节器由一个混合厚膜电路形成并包括一个功率管209，一个用于控制的单片集成电路210，一个续流二极管211，电阻212，213和分压电阻214a，214b，215a，215b。
单片控制集成电路210包括一个齐纳二极管301，一个由二极管302形成的恒压电路，一个比较器303，分压电阻304a，304b，产生恒定电流的电阻305，NPN晶体管306，307，308，PNP晶体管309，310和二极管311，312，313。
当上述结构中的按键开关6接通时，一个初始激励电流从电池5流过磁场绕组3和功率晶体管。下一步，当发电机开始旋转时，在电枢绕组1上产生一个电压，并且电池5通过三相全波整流器2被充电。
当按键开关6接通时，单片控制集成电路210中的恒压电路中产生一个恒定电压，并且比较器303被驱动，当所产生的电压很低并且同时电池5的电压也很低时，对电池5的电压进行分压的分压电阻214a和214b的分压点上的电压值低于对恒定电压进行分压的分压电阻304a和304b的分压点上的电压值，这样比较器303的输出为一个高电平，功率管209导通而场电流被激励。所产生的电压随着场电流的增加而上升，并且电池5的电压变得更高。然后分压电阻214a，214b的分压点上的电压高于分压电阻304a，304b的分压点上的电压，这样比较器303的输出为一个低电平，功率管209被截止而场电流通过续流二极管211衰减。当场电流下降时，发电机和电池5的输出电压也下降。这些运行被重复而电池5的电压被控制为一个预定值。
在此，让我们假定分压电阻214a，214b的分压点上以及分压电阻215a，215b的分压点上的电压分别是Vs′和VB′。晶体管308的集电极电势V1则可表示为以下形式V1＝max(Vs′，VB′)-VBE……(28)其中VBE是晶体管的基极-发射极电压或二极管的一个正向电压下降。
分压电阻比值的选择方式要满足关系Vs′＞VB′，以便使等式(28)可表示为以下形式V1＝Vs′-VBE……(28′)另外，二极管113的正极电势V2可表示为以下形式V2＝V1+VBE……(29)将等式(28)代入等式(29)可给出以下等式V2＝max(Vs′，VB′) ……(30)当等式(28′)能够成立时，等式(30)被重写为以下形式V2＝Vs′ ……(30′)因此，在S端的电压被控制为一个预定值。
下一步，当S端脱落时，VS′变成一个地电势并且VB′＞VS′。因此，等式(30)变为以下形式V2＝VB′ ……(30″)结果是，在B端的电压被控制为一个预定的值。用这种方式，本实施方案即使在电压检测端脱落时仍对发电机电压进行附属电压的检测，并且发电机电压被控制在一个预定的值上。
为了满足使等式(30)能够成立并且等式(28)和(29)的VBE可被完全补偿的条件，流过二极管311或312的电流必须等于流过二极管313的电流。
通常，一个晶体管的基极-发射极电压可被表示为以下形式VBE≈ (KT)/(q) ln (Ic)/(AE·Io) ……(31)其中k玻耳兹曼常数T绝对温度q电量Ic集电极电流AE发射极面积Io漏电流。
这里，二极管311，312和313是通过将晶体管的集电极与基极短路而获得。
与等式(31)相对应，在同一单片集成电路中器件的AE和Io相等，因此VBE基本上决定于Ic。在图6所示的电路中，晶体管310和308通过电流镜象电路作为恒流源而起作用，并且给出了以下等式I1+I3＝I2……(32)其中I1晶体管310的集电极电流(≈二极管313的电流)I2晶体管308的集电流电流I3二极管311或312的电流(当S端连接时二极管311的电流)。
这里，如果加入条件I2＝2I1，等式(32)可重写为以下形式式I1＝I3……(33)由等式(33)证明，流过二极管311或312的电流值等于流过二极管313的电流值，等式(28)和(29)的VBE可被补偿而等式(30)可以成立。
晶体管306造成一个参考恒定电流，该电流由电阻305决定并从恒压电路流出，该电流将被称为“I1”。假定晶体管307具有与晶体管306相同的发射极面积，则有一个等于I1的电流流过。该电流驱动晶体管309，并且，同样的电流(即I1)也流过以电流流镜象结构连接的晶体管310。另一方面，如果晶体管308的发射极面积设定为两倍于晶体管306的发射极面积，并且如果等式(31)的左侧被认为是一个预定值，则流过晶体管308的电流变为两倍于流过晶体管306的电流。按这种方式，可以满足条件I2＝2I1。因此，无论温度或其它情况如何，Vs′和VB′的高电压总是发送给比较器303，而该电压确定了发电机的输出电压。
根据本实施方案，电池5的电压可被精确地检测，无论温度或其它情况如何。因此，可以改进电池充电效能。
由以上可明显看出，根据本发明，有可能实现一个元件数目减少了的用于发电控制的电压调节器。
权利要求
1.一个发电机的电压调节器，该调节器将发电机的输出电压与一个参考电压相比较并调节其输出电压，其中包括一个恒压源；对上述恒压源的电压进行分压的第一和第二分压装置；一个热敏感元件和一个电阻构成的一个串联电路，该电路连接在上述第一分压装置的分压点与上述恒压源的正极或负极之间；一个第一整流器，该整流器有一个正极连接到上述第一分压装置的分压点上；一个第二整流器，该整流器有一个正极连接到上述第二分压装置的分压点上，而其它正极与上述第一整流器的其它正极连接；和一个第三整流器，该整流器有一个极连接到上述第一整流器的其它极上，并提供上述参考电压。
2.根据权利要求
1的发电机电压调节器，该调节器进一步包括一个第一恒流源，该第一恒流源连接在上述第三整流器的正极和上述恒压源的正极之间，和一个第二恒流源，该第二恒流源连接在上述第一整流器的负极和上述恒压源的负极之间。
3.一个发电机的电压调节器，该调节器将发电机的输出电压与一个参考电压相比较并调节其输出电压，其中包括一个恒压源;对上述恒压源的电压进行分压的第二和第三分压装置;由多个电阻和单个或多个热敏感元件构成的一个串联电路，该电路连接在上述恒压源的正极和负极之间;一个第一整流器，具有与上述串联电路中的一点相连接的正极;一个第二整流器，具有与上述第二分压装置的一个分压点连接的正极，并且有与上述第一整流器的负极连接的负极;一个第三整流器，具有与上述第一整流器的负极连接的负极;一个第四整流器，具有与上述第三整流器的正极连接的负极;一个第五整流器，具有与上述第四整流器的负极连接的负极;一个第六整流器，具有与上述第五整流器的正极连接的正极，并从其负极提供上述参考电压。
4.根据权利要求
3的发电机电压调节器，该调节器进一步包括一个第一恒流源，该第一恒流源连接在上述第四整流器的正极和上述恒压源的正极之间，一个第二恒流源，该第二恒流源连接在上述第一整流器的负极和上述恒压源的负极之间，和一个第三恒流源，该第三恒流源连接在上述第六整流器的负极和上述恒压源的负极之间。
5.根据权利要求
4的发电机电压调节器，其中所述第二恒流源的电流值被设定为大约两倍于所述第一恒流源的电流值。
6.根据权利要求
4的发电机电压调节器，其中所述第一恒流源的电流值基本上等于所述第二恒流源的电流值，所述第三恒流源的电流值为所述第一恒流源的电流值的一半。
7.一个用于汽车交流发电机的电压调节器包括一个发电机，该发电机响应于发动机的旋转而被驱动并对一个电池充电，以及一个将上述电池的电压控制为一个预定值的电压调节电路，其中包括一组多个分压电路用于将上述发电机产生的电压分压;第一组多个整流器，每个整流器具有与上述分压电路组的每个分压点连接的正极和共同连接到一个控制晶体管的负极;和第二组多个整流器，每个整流器具有与上述第一组整流器的负极连接并与上述控制晶体管连接的负极，并具有被控制为一个预定值的正极电压。
8.根据权利要求
1的电压调节器，其中进一步包括一个与所述第二整流器的正极连接的第一恒流源，和一个与所述第二整流器的负极连接的第二恒流源。
9.根据权利要求
2的电压调节器，其中所述第二恒流源的电流值被设定为所述第一恒流源的电流值的两倍。
专利摘要
在用输出电压对汽车电池充电的发电机中，一个电压调节器具有一个恒压源，将恒压源电压分压的第一和第二分压装置；由热敏元件和电阻构成并连接到第一分压装置的中点上的一个串联电路；正极与第一分压装置的中点连接的第一二极管；正极与第二分压装置的中点连接的第二二极管和负极与第一和第二二极管的负极都连接并提供一个参考电压的第三二极管，其中发电机的输出电压与参考电压比较，由此使发电机输出电压调整为参考电压。
文档编号H02J7/24GK86100872SQ86100872
公开日1986年7月30日 申请日期1986年1月31日
发明者增野敬一 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan