МНОГОКРИСТАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электронике и микроэлектронике и может быть использована для автоматического регулирования напряжения в генераторных установках автомобилей и другой техники.
Известен электронный регулятор напряжения, предназначенный для автоматического регулирования напряжения в генераторах автомобилей, содержащий электронную схему регулирования напряжения, которая выполнена на основе полупроводниковых кристаллов в виде гибридных интегральных схем по толстопленочной технологии. (Патент РФ №61965, МПК Н03В 1/00, опубл. 10.03.2007)
Недостатком известного регулятора является наличие гибридных интегральных схем, требующих наличие производственных мощностей с толстопленочными технологиями, дорогих комплектующих и материалов (керамики или глазурованных подложек, токопроводящих и резистивных паст и т.д.), удорожающих изделие и снижающие его надежность. Из-за больших габаритных размеров электрической части регулятора его нельзя реализовать в корпусе ТО 220, что тоже является недостатком.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является однокристальный регулятор напряжения для автомобильного генератора (http://doc.chipfind.ru/integral/14ivr21(ru).htm)
Кристалл сочетает функции управления и мощный выходной каскад с Ineid=5 А для управления обмоткой возбуждения.
Генераторный регулятор 14 IVR-XX заключен в корпусе типа ТО-3. Генераторный регулятор 14 IVR-XX, произведен по интегральной технологии и является однокристальным регулятором напряжением для автомобильных генераторов с выпрямительными узлами на диодах Зенера, что является недостатком, т.к. не позволяет применять его в автомобильных генераторах с выпрямителями на обычных диодах.
Задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является создание универсального регулятора напряжения для автомобильных генераторов, как с выпрямителями на диодах Зенера, так и обычных диодах, в повышении надежности, снижении себестоимости изделия за счет высокотехнологичного, автоматизированного производства,
обусловленного применением корпуса ТО 220, что так же позволяет уменьшить габариты регулятора напряжения, т.е. снизить его материалоемкость.
Поставленная техническая задача решается тем, что многокристальный регулятор напряжения, выполненный на основе полупроводниковых кристаллов, согласно предложенной полезной модели, включает установленные на основании корпуса, по меньшей мере, один полупроводниковый кристалл диодно-резисторной сборки, полупроводниковый кристалл транзистора, полупроводниковый кристалл управляющей микросхемы, при этом первый вывод корпуса соединен с первым выводом полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки и первым выводом полупроводникового кристалла управляющей микросхемы, второй вывод полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки соединен со вторым выводом полупроводникового кристалла управляющей микросхемы, второй вывод корпуса соединен с подложкой полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки и подложкой полупроводникового кристалла транзистора, первый вывод полупроводникового кристалла транзистора соединен с третьим выводом полупроводникового кристалла управляющей микросхемы, третий вывод корпуса соединен со вторым выводом полупроводникового кристалла транзистора и четвертым выводом полупроводникового кристалла управляющей микросхемы, полупроводниковые кристаллы, их связи и верхняя часть выводов корпуса герметизированы компаундом.
Кроме того, заявляемая полезная модель характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:
- по меньшей мере, один полупроводниковый кристалл диодно-резисторной сборки и полупроводниковый кристалл транзистора смонтированы на основании корпуса посредством токопроводящего теплопроводного клея;
- по меньшей мере, один полупроводниковый кристалл диодно-резисторной сборки и полупроводниковый кристалл транзистора смонтированы на основании корпуса посредством пайки припойной пастой;
- многокристальный регулятор напряжения включает два полупроводниковых кристалла диодно-резисторной сборки, один из которых смонтирован на основании корпуса посредством токопроводящего теплопроводного клея, а другой посредством диэлектрического теплопроводного клея;
- многокристальный регулятор напряжения включает два полупроводниковых кристалла диодно-резисторной сборки, один из которых смонтирован на основании корпуса пайкой припойной пастой, а другой посредством диэлектрического теплопроводного клея;
полупроводниковый кристалл управляющей микросхемы смонтирован на основании корпуса посредством диэлектрического теплопроводного клея;
- в качестве корпуса используется тип корпуса, выбранный из группы: ТО 220, ТО 218.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается совокупностью существенных признаков формулы полезной модели, является повышение надежности устройства при одновременном снижении габаритов и материалоемкости многокристального регулятора напряжения вследствие его реализации в корпусе значительно меньшего размера, чем корпуса, использованные в аналогах, при этом возможность использования корпуса типа ТО 220, имеющего малые размеры, обусловлена тем, что он обеспечивает хороший теплоотвод вследствие наличия в нем медного никелированного основания. Корпус - это часть конструкции регулятора напряжения, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для электрического соединения с внешними цепями посредством выводов. При этом применение в многокристальном регуляторе напряжения полупроводникового кристалла транзистора, полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки с пробивными напряжениями не менее 160 В и полупроводникового кристалла управляющей микросхемы с встроенной защитой от импульсов перенапряжения обеспечивает защиту устройства при аномальных процессах в бортовой сети автомобиля, сопровождающихся воздействием импульсами перенапряжения, что существенно повышает надежность заявленного многокристального регулятора напряжения по сравнению с ближайшим аналогом (с однокристальным регулятором напряжения для автомобильного генератора), который при тех же условиях работы выгорает. Встроенная защита управляющей микросхемы от импульсов перенапряжения известна, например, из патента RU 2118030, и может использоваться, в том числе в управляющей микросхеме выполненной на основе полупроводникового кристалла. Другие средства, кроме полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки, не позволяют надежно работать с пробивными напряжениями не менее 160 В, кроме того, они имеют размеры, не позволяющие осуществить их установку в корпусе ТО 220 (или ТО 218), обеспечивающем теплоотвод на требуемом уровне.
Технические результаты - повышение надежности, снижение габаритов и материалоемкости, взаимосвязаны и обусловлены одной и той же совокупностью существенных признаков. Как известно, регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах при всех режимах работы, в том числе, в случае изменения частоты вращения ротора генератора, изменения электрической нагрузки, изменения температуры окружающей среды. Кроме того, регулятор напряжения выполняет дополнительные функции, а именно, защищает элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузок. Известно также, что, как правило, ограничения, вводимые на рабочие параметры полупроводниковых кристаллов, и ограниченные возможности корпуса должны соответствовать друг другу в рабочей точке. Это означает, что как только мощность возрастает до предельно-допустимого значения, температура кристалла и температура корпуса должны находиться в пределах, которые меньше значений уровня безопасной работы. В случае возникновения аварийного режима регулятор напряжения должен сохранять работоспособность в аномальных условиях при возникновении импульсов перенапряжения.
Именно получение такого технического результата обусловлено предложенным выполнением элементов конструкции регулятора, т.е. в виде одного (или более одного) полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки, полупроводникового кристалла транзистора и полупроводникового кристалла управляющей микросхемы. Кроме того, существенным является то, что полупроводниковый кристалл диодно-резисторной сборки, полупроводниковый кристалл транзистора и полупроводниковый кристалл управляющей микросхемы в заявленной полезной модели установлены в корпусе ТО 220 (или ТО 218). Корпус ТО 220 широко известен и предназначен для транзисторов, выпрямителей, интегральных стабилизаторов напряжения и других полупроводниковых приборов малой и средней мощности (до 80 Вт выделения тепла). ТО 220 состоит из медного никелированного основания, к верхней стороне которого припаивается кристалл полупроводникового прибора, набора жестких выводов, и герметичного пластикового корпуса. (https://ru.wikipedia.org/wiki/TO220). Сведения о корпусе ТО 218 - см. http://www.transistor.by/data/case113.pdf (с. 253).
Ограничения по температуре, существующие для полупроводниковых кристаллов, могут негативно сказаться на их работе при повышении температуры выше допустимой. Чтобы обеспечить надежную работу полупроводниковых кристаллов нужно обеспечить эффективный теплоотвод на корпус. Тепловое сопротивление полупроводниковый кристалл - поверхность корпуса обратно пропорционально площади их контакта. Для того, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла от полупроводниковых кристаллов к корпусу необходимо обеспечить максимальную площадь теплового контакта кристалла с корпусом при минимальной толщине и высокой теплопроводности отгезива (клея или припойной пасты) - для наилучшей передачи тепла, предпочтительно, по плоской поверхности, а также максимальную теплопроводность материала корпуса.
Повышение эффективности отвода тепла от кристаллов обеспечено использованием известной конструкцией корпуса - ТО 220. Использование в заявленном устройстве корпуса ТО 220 обеспечивает гораздо лучший отвод тепла от кристаллов, в отличие от прототипа, за счет более высокой теплопроводности меди, из которой изготавливается основание (рамка), по сравнению со сталью, из которой изготавливается основание в металлостеклянном корпусе ТО-3 прототипа. Проявление данного свойства материала рамки ТО 220 использовано в конструкции для достижения того же общего технического результата, а именно для повышения надежности работы устройства.
Для создания максимальной площади теплового контакта кристалла с корпусом, при минимальных толщинах отгезивов, использован теплопроводный токопроводящий клей и теплопроводный диэлектрический клей, обеспечивающие контакт по плоскостной поверхности при толщине слоев клеев до 10 мкм.
Монтаж полупроводникового кристалла транзистора, полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки, а также полупроводникового кристалла управляющей микросхемы в корпус ТО 220 позволили миниатюризировать регулятор напряжения, что обеспечило снижение габаритов и уменьшение материалоемкости. Одновременно использование именно такого корпуса повышает надежность работы регулятора напряжения за счет обеспечения более эффективного отвода тепла от полупроводниковых кристаллов. В результате, при снижении материалоемкости, регулятор напряжения выдерживает импульсы перенапряжения, возникающие в бортовой сети автомобиля, без потери работоспособности, так как улучшены условия, позволяющие обеспечить безопасную работу для полупроводниковых кристаллов при повышенной температуре, величина которой меньше предельной. Функциональные схемы регуляторов напряжений и их работа известны, например, из патентов на изобретение RU 2215364, RU 2244998. Реализация близкой к этим изобретениям функциональной схемы регулятора напряжения на основе полупроводникового кристалла транзистора, полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки и полупроводникового кристалла управляющей микросхемы, расположенных в одном корпусе (ТО 220 или ТО 218), и обеспечивающих при этом высокую надежность работы, не известна из уровня техники. Кроме того, из уровня техники неизвестны радиокомпоненты, реализованные в корпусе ТО 220 (ТО 218), имеющие более 1 кристалла.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства.
Рисунок включает следующие позиции:
1 - полупроводниковый кристалл диодно-резисторной сборки;
1.1, 1.2 - выводы полупроводникового кристалла диодно-резисторной сборки;
2 - полупроводниковый кристалл управляющей микросхемы;
2.1, 2.2, 2.3, 2.4 - выводы полупроводникового кристалла управляющей микросхемы;
3 - полупроводниковый кристалл транзистора;
3.1, 3.2 - выводы полупроводникового кристалла транзистора;
4 - основание корпуса;
4.1, 4.2, 4.3 - выводы корпуса
5 - проволока алюминиевая d=200 мкм;
6 - проволока алюминиевая d=100 мкм или d=150 мкм.
Многокристальный регулятор напряжения включает основание
корпуса, на котором посредством токопроводящего, теплопроводного клея смонтированы, по меньшей мере, один полупроводниковый кристалл 1 диодно-резисторной сборки и полупроводниковый кристалл 3 транзистора (http://integral.by/files/files/Katalog(1).pdf, с. 115 и с. 128), посредством диэлектрического теплопроводного клея смонтирован полупроводниковый кристалл 2 управляющей микросхемы. Первый вывод корпуса 4.1 соединен алюминиевыми проволоками 5 и 6 с первым выводом 1.1 полупроводникового кристалла 1 диодно-резисторной сборки и первым выводом 2.1 полупроводникового кристалла 2 управляющей микросхемы соответственно. Второй вывод 1.2 полупроводникового кристалла 1 диодно-резисторной сборки соединен алюминиевой проволокой 6 со вторым выводом 2.2 полупроводникового кристалла 2 управляющей микросхемы. Второй вывод 4.2 основания корпуса (вывод и основание составляют одно целое) через токопроводящие клеи соединен с подложкой полупроводникового кристалла 1 диодно-резисторной сборки и подложкой полупроводникового кристалла 3 транзистора. Первый вывод 3.1 полупроводникового кристалла 3 транзистора соединен алюминиевой проволокой 6 с третьим выводом 2.3 полупроводникового кристалла 2 управляющей микросхемы. Третий вывод 4.3 корпуса соединен алюминиевыми проволоками 5 и 6 со вторым выводом 3.2 полупроводникового кристалла 3 транзистора и четвертым выводом 2.4 полупроводникового кристалла 2 управляющей микросхемы. Кристаллы, их связи и верхняя часть выводов корпуса герметизированы компаундом.
Устройство может включать два полупроводниковых кристалла диодно-резисторной сборки. В качестве корпуса могут быть использованы следующие типы корпусов: ТО 220, ТО 218.
Полупроводниковый кристалл диодно-резисторной сборки и полупроводниковый кристалл транзистора могут быть смонтированы на основании корпуса посредством токопроводящего теплопроводного клея или пайкой припойной пастой.
В случае если, многокристальный регулятор напряжения включает два полупроводниковых кристалла диодно-резисторной сборки, то один из них которых монтируется на основании корпуса посредством токопроводящего теплопроводного клея или пайкой припойной пастой, а другой посредством диэлектрического теплопроводного клея.
Полупроводниковый кристалл управляющей микросхемы смонтирован на основании корпуса посредством диэлектрического теплопроводного клея.
Принцип действия регулятора напряжения генератора заключается в подключении электронным ключом его обмотки возбуждения к источнику питания или отключении ее от него в зависимости от уровня напряжения на выходе генератора и служит для поддержания в заданных пределах этого напряжения. При подключении обмотки возбуждения напряжение на выходе генератора увеличивается, а при ее отключении падает.
Использование предложенного многокристального регулятора напряжения позволяет снизить себестоимость многокристального регулятора напряжения за счет использования металлопластмассовых корпусов, автоматизировать производство устройства, тем самым за счет высокопроизводительной групповой сборки и герметизации, а также уменьшения материалоемкости обеспечивается существенное снижение себестоимости, увеличение надежности, объем выпуска и применяемость.