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Selbsttätige Regeleinrichtung für mit stark wechselnder Drehzahl angetriebene nebenschlusserregte Generatoren
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anDie Regeleinrichtung arbeitet folgendermassen : Wenn die Lichtmaschine durch eine nicht dargestellte
Brennkraftmaschine aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, erregt sie sich infolge der in ihren Eisen- teilen vorhandenen Remanenz selbsttätig. Sobald zwischen ihren Klemmen a und b eine auch nur kleine
Spannung UG auftritt, vermag über den in diesem Falle stromleitenden Transistor Tl und die mit diesem in Reihe geschaltete Feldwicklung F ein Erregerstrom Je zu fliessen, der die magnetische Erregung soweit verstärkt, bis die Klemmenspannung sich ihrem Sollwert von 12,6 V nähert.
Da der aus den Widerständen 10 und 11 sowie dem Potentiometer P gebildete Spannungsteiler an die
Lichtmaschinenklemmen angeschlossen und der Einfluss der Batteriespannung durch die Diode D4 weit- gehend ausgeschaltet ist, steigt die am Potentiometer P abgegriffene Steuerspannung Up mit der Klemmen- spannung UG der Lichtmaschine an, bis sie schliesslich einen Wert Uk erreicht, bei dem die mit der Emitter-Basisstrecke des Transistors in Reihe liegende Diode Dl, obwohl sie in Sperr-Richtung geschaltet ist, einen erheblichen Strom Jb zu führen vermag, der den vorher gesperrten Transistor T2 stromleitend macht.
Den Kennlinienverlauf der als nichtlinearer Stromleiter wirkenden Diode D1 zeigt Fig. 2. Im Durchlassgebiet (positive Spannung Ud an der Anode) steigt der Strom Jd der Diode Dl etwa quadratisch an.
Dieses Gebiet ist im rechten oberen Quadranten des Schaubildes nach Fig. 2 dargestellt, während im linken unteren Quadranten der Kennlinienverlauf des durch die Diode D1 fliessenden Stroms Jd in Abhängigkeit von der in Sperr-Richtung angelegten Spannung Ud wiedergegeben ist. Wenn die angelegte Spannung unterhalb des in der Zeichnung mit Uk angedeuteten Wertes, d. h. unterhalb der sogenannten Knick-oder Durchbmchsspannung bleibt, nimmt der Sperrstrom nur langsam und linear mit der Spannung Ud zu. Sobald die angelegte Spannung Ud über den Wert von Uk hinaus vergrössert wird, vermag die Diode auch in der Sperr-Richtung eineh erheblichen, sehr stark anwachsenden Strom zu führen.
Der Abgriff amPotentiometerP ist zur Ausnutzung dieser etwa beim Wert Uk liegenden starken Krüm- mung so eingestellt, dass die abgegriffene Spannung Up den Wert Uk erreicht und daher einen starken Steuerstrom Jb durch die Emitter-Basisstrecke des Transistors T2 zu führen vermag, wenn die GeneratorspannungU G ihrenSollwert vonl2, 6 V geringfügig überschreitet. Der Steuerstrom Jb, der denTransistorT2 in der oben angegebenen Weise stromleitend macht, bewirkt, dass über den mit 18 bezeichneten Arbeitswiderstand von etwa 200 Ohm ein erheblicher Strom fliesst, der die Basisspannung des Transistors Tl so stark erniedrigt, dass dieser gesperrt wird und einen hohen Widerstand für den über die Feldwicklung F fliessenden Erregerstrom Je der Lichtmaschine darstellt. Die zur Feldwicklung F parallel geschaltete Diode D3 kommt In diesem Augenblick zur Wirkung.
Denn beim Stromloswerden des Transistors Tl kann der in derFeldwicklung F fliessende Erregerstrom Je nicht plötzlich verschwinden. Er geht vielmehr als Kreisstrom über die Diode D3 und klingt dabei langsam ab. Die abfallende Erregung bewirkt dann ein Absinken derKlemmenspannungUG der Lichtmaschine. Da der aus den Widerständen 10 und 11 und dem Potentiometer P gebildete Spannungsteiler unmittelbar an die Lichtmaschinenklemmen angeschlossen ist, wird dabei die an der Diode D1 wirksame Spannung Up so weit erniedrigt, dass die Diode D1 nur noch einen sehr kleinen Strom zu führen vermag. Dies hat zur Folge, dass der Transistor T2 wieder sperrt und den Transistor Tl dabei wieder stromleitend macht. Das beschriebene Spiel kann dann von neuem beginnen.
Da die Diode D1 eine sehr stark gekrümmte Kennlinie hat und weil ausserdem der Transistor T2 eine hohe Spannungsverstärkung aufweist, genügen bereits sehr kleine Änderungen in der Grösse von 0, 1 V der Klemmenspannung U G der Lichtmaschine, um den Transistor Tl aus einem Zustand starker Leitfähigkeit in einen Betriebszustand sehr geringer Leitfähigkeit sprunghaft überzuführen. Dabei befindet sich der Transistor sowohl dann, wenn er einen hohen Erregerstrom Je führt, als auch dann, wenn er praktisch stromlos ist, in einem Arbeitsgebiet mit kleiner Kollektorverlustleistung.
Diese Arbeitsweise wird zusätzlich durch die Diode D3, die während der stromlosenpausen des Transistors Tl den in der Feldwicklung F fliessenden Ausgleichstrom übernimmt, noch wesentlich unterstützt. Man kann daher zur Steuerung verhältnismässig grosser Erregerströme Je Transistoren mit relativ kleiner Kollektorverlustleistung verwenden, weil sich der Transistor beim Umkippen aus dem stromlosen in den stark stromleitenden Zustand nur sehr kurze Zeit in einem Gebiet hoher Kollektorverlustleistung befindet und dieses Gebiet sehr rasch durchwandert.
Der vorstehend beschriebene, von der Höhe der jeweiligen Klemmenspannung der Lichtmaschine ab- hängige Regelvorgang, bei dem die eingeregelte Spannung durch die Durchbruchspannung Uk derDiode Dl bestimmt wird und die Diode Dl daher in Verbindung mit dem Potentiometer P als Sollwertgeber dient, wird durch einen zweitenRegelvorgang überlageri, der durch den jeweils der Lichtmaschine entnommenen
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sowie der Spannungsabfall U 2 an der Diode D4 zunimmt, wenn der Lichtmaschinenstrom J steigt. Diese beiden Spannungen bestimmen die Grösse des über den zweiten nichtlinearen Stromleiter D2 fliessenden Stromes J2. Der Stromleiter D2 hat eine in Fig. 4 angedeutete Stromspannungskennlinie.
Er vermag einen stark anwachsenden Strom J 2 zu führen, sobald an seinen Elektroden eine Spannung wirksam wird, die
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Summe der am Widerstand 15 und am Gleichrichter D4 entstehenden Spannungen Ul + U2 den Wert der
Schleusenspannung Us überschreitet, wird der Transistor T2 deswegen stromleitend, weil dann über den
Transistor T2 von seiner Emitter-zu seiner Basiselektrode und von dort über den Stromleiter D2 als Steuer- strom der Strom J2 fliessen kann, der zum Pluspol der Batterie 13 geht. Dieser Strom J2 bewirkt dann, dass der Transistor T 2 weitgehend unabhängig von der Höhe der Klemmenspannung UG stromleitend und demzu- folge derTransistorTI gesperrt wird.
Daher wird die Klemmenspannung U G der Lichtmaschine stark herab- gesetzt, sobald der Lichtmaschinen-Laststrom JL den mit Jm in Fig. 3 angedeuteten Höchstwert erreicht.
Dabei übernimmt an Stelle des bei zu hoher Lichtmaschinenspannung einsetzenden, über den ersten Strom- leiter Dl gehenden Steuerstromes Jl der über den zweiten nichtlinearen Stromleiter gehende Strom J2 die Rolle des Steuerstromes Jb.
Der besondere Vorteil liegt bei der beschriebenen Anordnung darin, dass die Spannungsregelung prak- tisch vollkommen ausgeschaltet wird, wenn der Laststrom IL trotz erheblicher Spannungsverminderung er- hebliche Werte beibehält. Dies ist besonders dann wichtig, wenn in den an die Batterie àngeschlos- senen Verbraucherstromkreisen oder in der Batterie selbst ein Kurzschluss auftritt. Indiesem Falle sinkt die Regelkennlinie der Lichtmaschinenspannung U in der mit dem stark abfallenden Ast A ange- deuteten Weise so stark ab, dass keine Überlastungs$chäden in der Lichtmaschine auftreten können. Umgekehrt erfolgt die Regelung nur in Abhängigkeit von der Spannung, solange der kritische Wert des Laststromes nicht erreicht wird.
Dies wirkt sich dahin aus, dass die in Fig. 3 dargestellte Kenn- linie einen nahezu waagrechten Ast B hat ; denn die Lichtmaschinenspannung U G wird praktisch auf ihrem
Sollwert gehalten, solange der Laststrom JL unterhalb seines kritischen Wertes bleibt.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 5 ist ebenfalls für eine Lichtanlage von Fahrzeugen bestimmt. Soweit sie gleiche oder gleichwirkende Teile wie dieEinrichtung nach Fig. l enthält, sind diese mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ausser den dort angegebenen Schaltelementen enthält die Regeleinrichtung nach Fig. 5 als wichtigen Bauteil noch einen Rückkopplungswiderstand 20 von etwa 2000 Ohm, der in die Verbindungsleitung vom Kollektor des Leistungstransistors Tl zur Basiselektrode des Steuertransistors T2 eingeschaltet ist.
Damit man mit verhältnismässig kleinen Leistungstransistoren auskommen kann, ist es erforderlich, dass beim Regelvorgang der Leistungstransistor abwechselnd einerseits in einem Zustand hoher Stromleitung bzw. kleinen inneren Widerstandes und anderseits sehr geringer Stromleitung, d. h. sehr hohen inneren Widerstandes arbeitet und ausserdem den Übergangsbereich zwischen diesen beiden Endzuständen rasch durchläuft. In diesen Übergangsbereichen ist nämlich die Kollektorverlustleistung und die demzufolge entstehende Erwärmung des Transistors wesentlich grösser als in den beiden Endzuständen.
Es hat sich nun gezeigt, dass der Regelvorgang in Abhängigkeit von der Höhe der Klemmenspannung der Lichtmaschine dann mit genügender Sicherheit erfolgt, wenn der Innenwiderstand der Lichtmaschine ausreichend hoch ist. Dieser Innenwiderstand hängt jedoch ausser von der Grösse der Wicklungen und der jeweiligen Betriebstemperatur der Lichtmaschine auch noch von den stark veränderlichenübergangswiderständen an den Bürsten ab. Um von solchen veränderlichen, den Regelvorgang beeinflussenden Grössen der Lichtmaschine unabhängig zu sein, ist der Rückkopplungswiderstand 20 vorgesehen. Dadurch wird erreicht, dass die zwischen dem Emitter und der Basis des Steuertransistors T2 wirksame Potentialdifferenz vergrö- ssert wird, sobald der über den Leistungstransistor gehende Strom kleiner wird.
Dies hat zur Folge, dass der Steuerstrom Jb über denjenigen Wert hinaus anwächst, der sich ohne den Rückkopplungswiderstand 20 allein aus der Höhe der zwischen den Leitungen 10 und 11 wirksamen Lichtmaschinenspannung ergeben würde. Umgekehrt wird der zwischen dem Emitter und der Basis des Steuertransistors wirksame Potentialunterschied kleiner, sobald der Leistungstransistor Tl stromleitend zu werden beginnt. Der wesentliche Vorteil besteht daher darin, dass diejenigen Zeiten, die für das Umsteuern des Leistungstransistors erforderlich sind, stark verkürzt werden und gleichzeitig die am Leistungstransistor entstehende Kollektorverlus, leistung absinkt, so dass man auch mit verhältnismässig kleinen Leistungstransistoren Lichtmaschinen regeln kann, die für hohe Ströme bemessen sind und demzufolge einen sehr niedrigen Innenwiderstand haben müssen.
Darüber hinaus werden wilde hochfrequente Schwingungen, deren Entstehung durch Schaltkapazitäten und vor allem durch die enge magnetische Kopplung zwischen dem Anker der Lichtmaschine und deren Feldwicklung F erheblich begünstigt ist, mit Sicherheit im ganzen Arbeitsbereich der Licht-
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maschine verhindert. Derartige'Schwingungen könnten nicht nur in den Transistoren, sondern auch in der Lichtmaschine selbst eine gefährliche zusätzliche Erwärmung hervorrufen.
Ein weiterer Vorteil liegt nicht zuletzt darin, dass im ganzen Arbeitsbereich der Lichtmaschine, der in der Regel von 2000 bis 10000 Umdr/min reicht und ausserdem einen zwischen Null und 20 A. liegenden Laststrom umfassen muss, die jeweils einen mittleren, der Belastung und Antriebsdrehzahl angepassten Wert der Maschinenerregung ergebendenImpulse des Erregerstromes Je in der gewünschten Folgefrequenz von etwa 10 Hz aufrechterhalten werden. Demgegenüber wird lediglich die Dauer der Stromimpulse Je im Verhältnis zu den zwischen den Impulsen liegenden stromlosen Pausen zur Anpassung der Maschinenerregung verändert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Selbsttätige Regeleinrichtung für mit stark wechselnder Drehzahl angetriebene nebenschlusserregte Generatoren, die mindestens einen Leistungstransistor enthält, der mit seiner Emitter-Kollektorstrecke in Reihe mit der Feldwicklung des Generators an die zu regelnde Spannung angeschlossen ist, und einen zu seiner Steuerung dienenden, mit seinem Emitter ebenfalls an die zu regelnde Spannung angeschlossenen Steuertransistor hat, dessen Basis mit dem Abgriff eines über der zu regelnden Spannung liegenden Span-
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sistors (T2) an einen in der Zuleitung vom Generator (G) zu seinen Verbrauchern zwischen dem Anschlusspunkt des Emitters des Steuertransistors (T2) und dem Anschlusspunkt des Spannungsteilers liegenden, den Generatorlaststrom führenden Widerstand (15) über eine Halbleiterdiode (D2) angeschlossen ist,
die bei einer zwischen ihren Elektroden wirksamen Spannung von etwa 0, 3 V einen stark ausgeprägten Knick in ihrer Stromspannungskennlinie hat.
2. RegeIeinrichtungnachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass inReihemitdem den Laststrom (J ) des Generators (G) führenden Widerstand (15) ein Gleichrichter (D4) geschaltet ist und dass die EmitterElektrode des zweiten Transistors (T2) zusammen mit dem Widerstand an einer Generatorklemme (a) liegt, während an den Verbindungspunkt von Widerstand (15) und Gleichrichter (D4) ein Ende des Spannungsteilers (10, P, 11) und an den Verbindungspunkten des Gleichrichters (D4) und einer Klemme einer mit dem Generator zusammenarbeitenden Batterie (13) die Halbleiterdiode (D2) angeschlossen ist.
3. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichner, dass zwischen dem Leistungtransistor (tel) und dem Steuertransistor eine positive Rückkopplung vorgesehen ist.