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Regeleinrichtung für mit wechselnder Drehzahl angetriebenen Generator, insbesondere in einem Kraftfahrzeug Die Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätige, strom- und spannungsabhängige Regeleinrichtung für mit wechselnder Drehzahl angetriebenen, nebenschlusserregten Generator, die ausser einem mit der Erregerwicklung des Generators in Reihe geschalteten Leistungstransistor noch einen zur Steuerung dieses Transistors dienenden zweiten Transistor (Steuertransistor) enthält, dessen Ausgangskreis über einen Transformator mit dem Leistungstransistor gekoppelt ist.
Derartige Regeleinrichtungen haben die Aufgäbe, die an den Ausgangsklemmen des Generators zur Verfügung stehende Spannung unabhängig von dem jeweiligen Laststrom auf einem möglichst konstant bleibenden Wert zu halten. Diese Regelungsbedingung ist bei Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge besonders deshalb schwer zu erfüllen, weil beim Betrieb von Kraftfahrzeugen nicht nur die Antriebsdrehzahl der Lichtmaschinen in sehr weiten Grenzen schwankt, sondern auch der Leistungsbedarf der aus der Lichtmaschine zu speisenden Verbraucher je nach der Jahres- und Tageszeit erhebliche Unterschiede aufweist.
Damit die eingeregelte Spannung auch bei hohen Lastströmen wenigstens annähernd auf dem gleichen Wert gehalten wird, wie bei Leerlauf des Generators, muss dafür gesorgt werden, dass die Regeleinrichtung eine hohe Spannungsempfindlichkeit hat. Da es ausserdem mit Rücksicht auf die Herstellungskosten wichtig ist, mit möglichst kleinen Transistoren auskommen zu können, muss der in Reihe mit der Erregerwicklung des Generators geschaltete Leistungstransistor periodisch aus einem Zustand hoher Stromleitung in einen Zustand annähernd vollständiger Sperrung übergeführt werden können, wobei die am Leistungstransistor auftretende Erwärmung um so geringer wird,
je schneller sich der Übergang von einem dieser Zustände in den anderen vollzieht. Eine hohe Genauigkeit der Spannungsregelung ergibt sich bei einem Regler der eingangs beschriebenen Art, der gemäss der Erfindung im Eingangskreis. des Steuertransistors eine an die zu regelnde Spannung angeschlossene Zenerdiode und wenigstens eine Wicklung des Transformators enthält, wobei die Transformatorwicklung eine positive Rückkopplung zur Erzeugung selbsterregter Schwingungen durch den Steuertransistor ergibt, wenn und solange die zu regelnde Spannung ihren Sollwert erreicht bzw. überschreitet.
Weitere Verbesserungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 das Schaltschema der Lichtanlage samt Regeleinrichtung, Fig. 2 ein Schaubild für den Potentialverlauf an der Basis des Leistungstransistors der Regeleinrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Regeleinrichtung.
Die Lichtanlage nach Fig. 1 enthält einen Drehstromgenerator 10 mit drei im Ständer des Generators untergebrachten Wicklungen 11, 12 und 13 und einer auf dem umlaufenden Anker sitzenden Erregerwicklung 14 sowie eine Batterie 15, deren Minuspol über eine Leitung 16 und deren Pluspol über eine Leitung 18 mit einer Gleichri'chteranordnung 20 verbunden ist, die aus sechs einzelnen Einweggleichrichtern 21 besteht.
Bei vier der sechs Gleichrichter 21, die paarweise hintereinandergeschaltet zwischen der Minusleitung 16 und der Plusleitung 18 liegen, sind die
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Verbindungspunkte jeweils eines Gleichrichterpaares an den Verbindungspunkt der Wechselstromwicklun- gen 11 und 12 bzw. 12 und 13 des Generators 10 angeschlossen. Zwischen dem Verbindungspunkt des dritten Gleichrichterpaares und dem Verbindungspunkt der beiden Generatorwicklungen 11 und 13 ist die Primärwicklung 23 eines Stromtransformators eingeschaltet, der auf einem bei 24 angedeuteten Eisenkern zwei Wicklungshälften 25 und 26 einer Sekundärwicklung trägt.
Zwischen den Enden der Sekundärwicklung liegen zwei Belastungswiderstände, die aus einem Festwiderstand 27 von etwa 10 Ohm und einem veränderbaren Widerstand 28 von ebenfalls etwa 10 Ohm bestehen. Von den Wicklungsenden der Sekundärwicklung führen ausserdem zwei in der angedeuteten Richtung stromdurchlässige Gleichrichter 30 und 31 zum Pluspol eines Elektro- lytkondensators 32, dessen Minuspol mit dem Mittel- abgriff zwischen den Wicklungshälften 25 und 26 verbunden ist.
Die am Kondensator 32 entstehende Spannung U, ist annähernd proportional dem Belastungsstrom JL, der vom Generator 10 zu der Batterie 15 fliesst, sobald die Spannung U, zwischen den Leitungen 16 und 18 grösser wird als die dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende Spannung der Batterie 15.
Die vom Generator 10 gelieferte Spannung U, wird auf einem gleichbleibenden Wert von 28 Volt mit Hilfe einer Regeleinrichtung gehalten, die im folgenden beschrieben ist.
Die Regeleinrichtung enthält einen Leistungstransistor 40 und einen zur Steuerung dieses Transistors dienenden zweiten Transistor 41, einen zwischen beiden Transistoren angeordneten Transformator 42, eine in Sperrichtung beanspruchte Zener- diode 43 sowie einen in seiner Durchlassrichtung betriebenen, nichtlinearen Stromleiter 44, der im Durchlassbereich bei einer angelegten Spannung von etwa 0,3 Volt einen scharfen Knick in seiner Stromspannungskennlinie aufweist.
Dieser Stromleiter hat für die Arbeitsweise der Regeleinrichtung in verschiedener Hinsicht wesentliche Aufgaben zu erfüllen und ist mit einer seiner beiden Elektroden an die Plusleitung 18, mit seiner anderen Elektrode an den Verbindungspunkt P der mit 45 und 46 bezeichneten beiden Sekundärwicklungen des Transformators 42 angeschlossen. Die Wicklung 45 weist nur 20 Windungen auf und ist mit ihrem freien Ende sowohl an einen Germaniumgleichrichter 48, der zur Basis des Transistors 40 führt, als auch mit dem Emitter E des Steuertransistors 41 verbunden. Die auf dem gleichen, bei 49 angedeuteten Eisenkern des Transformators 42 sitzende Primärwicklung 50 weist ebenso wie die Sekundärwicklung 46 150 Windungen auf.
Sie liegt mit ihrem einen Ende am Kollektor K des Steuertransistors 41 und mit ihrem anderen Wick- lungSende an der Minusleitung 16. Das freie Wicklungsende der Sekundärwicklung 46 ist über einen Gleichrichter 52 ebenfalls an die Basis B des Leistungstransistors 40 geführt. Die Basis dieses Tran- sistors liegt ausserdem über einen Widerstand 55 an der Minusleitung 16.
Von der Basis des Leistungstransistors 40 zweigt ferner eine Verbindungsleitung 56 ab, die zum Pluspol des Kondensators 32 der eingangs beschriebenen Stromregeleinrichtung führt. An den Minuspol des Kondensators 32 ist die Ableitungselektrode einer Germaniumdiode 60 angeschlossen, die mit ihrer Zuleitungselektrode an dem verstellbaren Abgriff 61 eines Potentiometers 62 liegt. Das eine der beiden Enden des Potentiometers 62 ist über einen Widerstand 63 von etwa 50 Ohm mit der Plusleitung 18 verbunden, während das andere Ende über einen Widerstand 64 von etwa 150 Ohm an die Minusleitung 16 angeschlossen ist. Die zwischen dem Schleifer 61 und der Plusleitung 18 wirksame Spannung ist in der Zeichnung mit Us angedeutet.
An dieser Spannung liegt ein Kondensator 65 von etwa 1 pF und die bereits erwähnte Zenerdiode 43, die zur Basis B des Steuertransistors 41 führt. Die Basis dieses Transistors liegt über einen Widerstand 66 von etwa 100 Ohm an der Plusleitung 18.
Die Lichtanlage arbeitet in Verbindung mit der beschriebenen Regeleinrichtung folgendermassen: Sobald der Wechselstromgenerator 10 beim Anwerfen der Brennkraftmaschine des Fahrzeuges mit einer bei etwa 500 U;min liegenden Mindestdrehzahl angetrieben wird, entsteht infolge der in seinen Eisenteilen vorhandenen Remanenz in den Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13 eine, wenn auch kleine, Wechselspannung, die über die Gleichrichter 21 an die Plus- und Minusleitung gelangt. Diese Spannung reicht aus, um über die Erregerwicklung 14 und dem in diesem Falle stromleitenden Transistor 40 einen kleinen. Erregerstrom Jr zu führen, der seinerseits eine erhöhte induzierte Spannung in den Wech- selstromwicklungen 11, 12 und 13 zur Folge hat.
Infolge dieser Selbsterregung erreicht bei genügender Antriebsdrehzahl des Generators 10 die Generatorausgangsspannung Um zwischen den Leitungen 16 und 18 rasch einen Wert, der höher liegt als die von dem jeweiligen Ladungszustand abhängige Spannung der Batterie 15. In diesem Falle beginnt über den im Zuge der Plusleitung 18 liegenden Rückstromgleich- richter 70 ein Strom JL in der angezeichneten Pfeilrichtung zu fliessen, durch den die Batterie über ihren augenblicklichen Ladungszustand hinaus weiter aufgeladen wird.
Sobald jedoch die zwischen den beiden Leitungen 16 und 18 entstehende Spannung den Wert von 28 Volt überschreitet, wird die Spannung U, am Schleifer des Potentiometers 62 grösser als 8 Volt, und die für diesen Wert bemessene Zener- diode 43 vermag von der Basis B des Steuertransistors 41 einen zur Minusleitung 16 fliessenden Steuerstrom J, zu führen. Dadurch wird der seither gesperrte Steuertransistor 41 stromleitend und erzeugt sowohl einen über die Wicklung 45 gehenden Emitterstrom Je als auch einen über die Wicklung 50 gehenden Kollektorstrom J". Diese beiden Wicklungen sind so gepolt, dass sie eine Rückkopplungswirkung
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erzeugen.
Bei geringfügiger Zunahme des Kollektorstroms JI, entsteht im Sekundärwicklungsteil 45 eine Rückkopplungsspannung UIt, durch welche die Emit- ter-Basis-Spannung vergrössert und demzufolge auch der über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 41 fliessende Steuerstrom J6 verstärkt wird. Dieser bewirkt seinerseits-wieder eine Vergrösserung des Kol- lektorstroms J". Sobald jedoch der Kollektorstrom Jk sich seinem durch die Rückkopplung und die Stromverstärkung des Transistors 41 festgelegten und durch die Höhe der Batteriespannung bzw.
der Generatorspannung U#_ begrenzten Höchstwert nähert, wird die in der Wicklung 45 induzierte, den Transistor 41 in seinem voll stromleitenden Zustand haltende Spannung Up; an der Sekundärwicklung 45 immer kleiner. Dies hat zur Folge, dass auch der seither nur noch schwach zunehmende Kollektorstrom J1, in dieser Höhe nicht mehr aufrechterhalten werden kann und abzufallen beginnt. Dies erzeugt jedoch in der Wicklung 45 eine der vorher wirksam gewesenen Spannung Ua entgegengesetzte Spannung UT, die bewirkt, dass der Transistor 41 in seinen ursprünglichen Sperrzustand zurückkehrt.
Nach dieser Sperrschwingung verbleibt der Steuertransistor 41 in seinem Sperrzustand, sofern durch den im folgenden beschriebenen Regelvorgang die im Schleifer 61 wirksame Spannung U, inzwischen unter die Durchbruchspannung der Zenerdiode 43 von 8 Volt abgesenkt worden ist. Falls dies noch nicht erreicht wurde und die Generatorspannung U". immer noch zu hoch ist, erzeugt der Steuertransistor 41 sofort wieder eine neue Sperrschwingung.
Die eben beschriebene Sperrschwingung hat nämlich zur Folge, dass sowohl zu Anfang wie auch am Ende der Sperrschwingung je ein Spannungsimpuls UIt bzw. UT in den Wicklungen 45 und 46 erzeugt wird. Diese Impulse laden den zwischen dem Verbindungspunkt P der Wicklungen 45 und 46 einerseits und der Basis des Transistors 40 anderseits liegenden Kondensator 80 zu einer solch starken positiven Spannung auf, dass die Basis des Leistungstransistors 40 wesentlich stärker positiv wird als der Emitter E des Leistungstransistors 40.
Der Leistungstransistor 40 wird daher mit dem Einsetzen der vom Steuertransistor 41 hervorgerufenen Sperrschwingung sofort gesperrt, und der seither über die Erregerwicklung 14 fliessende Feldstrom Jr wird stark verkleinert. Der zur Wicklung 14 parallel geschaltete Gleichrichter 81 hat hierbei lediglich die Aufgabe, die in der Wicklung 14 entstehenden Spannungsspitzen unschädlich zu machen. Für die Wirkungsweise der Anlage hat er jedoch keine ausschlaggebende Bedeutung. Mit der Abnahme des Erregerstromes Jr geht auch die in den Wicklungen 11 bis 13 des Generators 10 induzierte Spannung zurück und lässt die zwischen der Minusleitung 16 und der Plusleitung 18 wirksame, am Schleifer 61 abgegriffene Spannung absinken.
Erst wenn die von den Spannungsimpulsen in den Sekundärwicklungen 45 und 46 erzeugte Ladung des Kondensators 80 sich über den Widerstand 55 prak- tisch entladen hat, wird der Leistungstransistor 40 selbsttätig wieder stromleitend, da dann die Emitter- Basisspannung des Transistors 40 nur noch durch das Potential des Punktes P bestimmt wird. Die zwischen P und dem nichtlinearen Stromleiter 44 entstehende Spannung U, behält wegen des zwischen dem Verbindungspunkt P und der Minusleitung 16 eingeschalteten Widerstandes 82 einen konstanten Wert von 0,3 Volt.
Dieser Wert ist durch die Schwell- oder Schleusenspannung des im Stromleiter 44 verwendeten Germaniums bestimmt. Sobald der Leistungstransistor 40 wieder leitend wird, beginnt die Generatorspannung U,. wieder zu steigen. Der Transistor 40 bleibt so lange stromleitend, bis die vom Generator 10 erzeugte Spannung U,. den Sollwert von 28 Volt wieder erreicht hat. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem beginnen.
In Verbindung mit der eben beschriebenen Spannungsregelung wird ein Stromregelungsvorgang dann wirksam, wenn der über die Plusleitung fliessende Belastungsstrom JL des Generators 10 einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet.
Zur Aufrechterhaltung des Belastungsstromes JL muss nämlich vom Verbindungspunkt der Wechselsbromwicklungen 11 und 13 des Generators 10 über die Primärwicklung 23 des Stromtransformators zum Gleichrichter 20 ein Wechselstrom geführt werden, der in den beiden Sekundärwicklungen 25 und 26 des Stromtransformators eine Spannung erzeugt, die den Kondensator 32 auf eine mit steigendem Laststrom JL annähernd linear anwachsende Ladespannung U, auflädt. Solange diese Spannung unter einem Wert von 8 V liegt, hat sie auf die Auslösung von Sperrschwingvorgängen im Steuertransistor 41 keinen Einfluss, da in diesem Falle der Gleichrichter 60 gesperrt ist.
Wenn dagegen der Laststrom JL sich seinem Höchstwert nähert, nimmt die Spannung U, einen Wert von annähernd 8 Volt an, der dazu führt, dass der Gleichrichter 60 stromleitend wird, auch wenn die, am Schleifer 61 des Potentiometers 62 abgegriffene Spannung US und mit dieser die Ausgangsspannung des Generators U, diesen Wert nicht erreicht.
In diesem Falle wird die Zenerdiode 43 ebenfalls stromleitend und erzeugt fast unabhängig von der Höhe der jeweils vorhandenen Klemmenspannung des Genera- tors im Steuertransistor 41 eine der vorher beschriebenen Sperrschwingungen, durch die der Leistungstransistor kurzzeitig gesperrt wird.
Die in Fig.3 dargestellte Regeleinrichtung ist ebenfalls zum Betrieb einer als Dreiphasen-Dreh- stromgenerator ausgebildeten Lichtmaschine G bestimmt. Diese dient zur Stromversorgung von Verbrauchern (Scheinwerfer, Zündanlage usw.) eines Kraftfahrzeuges und arbeitet mit einer Batterie B zusammen, die bei Stillstand des Generators die Stromversorgung der Verbraucher übernimmt.
Der Generator hat drei Ausgangsklemmen R, S und T. Diese sind einzeln an die Verbindungspunkte eines Vollweggleichrichters G1 angeschlossen, der aus sechs Einweggleichrichtern zusammengesetzt ist. Seine
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Pluselektrode ist über eine Leitung 110 mit dem beweglichen Schaltarm 111 eines Schalters verbunden, dessen Spannungsspule in der Zeichnung mit SP bezeichnet und an einen Gleichrichter G2 angeschlossen, der mit den beiden Phasen R und T des Gene- rators verbunden ist.
Der mit dem beweglichen Schaltarm 111 zusammenarbeitende Kontakt 115 des Schalters ist an die Plusklemme der Batterie B angeschlossen.
Die Regeleinrichtung selbst enthält einen Leistungstransistor Trl, einen als Sperrschwing-Oszillator geschalteten Steuertransistor Tr2 und einen zur Kopplung beider Transistoren dienenden Transformator mit einer Primärwicklung 117 und einer Sekundärwick- lung 118. Jede der Wicklungen hat einen an die Minusleitung 112 angeschlossenen Mittelabgriff.
Als wesentliche Bestandteile enthält die Regeleinrichtung zwei Zenerdioden Z1 und Z2, die jeweils in ihrer Sperrichtung betrieben werden. Die Zener- dioden enthalten in bekannter Weise einen Halbleiterkörper aus hochgereinigtem Germanium oder Silizium, dem auf je etwa 101s Atome dieser Stoffe jeweils ein Fremdatom beigemischt ist, das eine bestimmte Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers ergibt. Durch Einlegieren von Metallen der entgegengesetzten Leitfähigkeit sind in den Halbleiterkörper Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit erzeugt.
An jede der Zonen verschiedener Leitfähigkeit ist bei jeder Zener- diode eine Anschlusselektrode angelötet. Die jeweils an Zonen gleicher Leitfähigkeit angelöteten Anschlüsse beider Dioden sind mit der Basis des Steuertransistors Tr2 verbunden.
Mit ihrer anderen Elektrode liegt die Zenerdiode Z1 an einem an die zu regelnde Spannung angeschlossenen Spannungsteiler, der aus den Widerständen R6 und R7 gebildet wird. Die Zenerdiode Z2 dagegen, die zur Regelung in Abhängigkeit von dem Generatorlaststrom bestimmt ist, liegt an einem Widerstand R9, der zusammen mit einem veränderbaren Widerstand R 1 in Reihe geschaltet und an die Plusleitung 110 angeschlossen ist.
Vom Verbindungspunkt der Zenerdiode Z2 mit dem Wi'd'erstand R9 führt eine Leitung 113 zur Mittelanzapfung eines Stromwandlers W, dessen Primärwicklung in die Verbindungsleitung von der Phasenklemme R des Generators G zum Gleichrichter G1 eingeschaltet ist. Die beiden Wicklungsenden des Stromwandlers W sind jeweils an einen von zwei Gleichrichtern angeschlossen, die in der Zeichnung mit G3 angedeutet sind und mit ihren Pluselektroden an der Plusleitung 110 liegen.
Die Spannungsregelung erfolgt in ähnlicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, sobald das Potential des Verbindungspunktes der Widerstände R6 und R7 auf die Durchbruchspannung der Zener- diode Z1 angestiegen ist.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach. Fig. 1 erfolgt die Stromregelung hier über die zweite Zenerdiode Z2. Diese wird unabhängig von der Höhe der zwischen den Leitungen 110 und 112 herrschen- den Klemmenspannung dann stromleitend, wenn infolge hoher Belastung durch einen zu starken Verbraucher oder einen Kurzschluss im Verbrauchernetz der in der Verbindungsleitung von der Klemme R zum Gleichrichter G1 fliessende Wechselstrom in der Sekundärwicklung des Wandlers W eine solch grosse Spannung erzeugt,
dass die an den Widerständen R9 und R 11 entstehende Gleichspannung U9 den Durchbruchswert der Zenerdiode Z2 überschreitet. Die dann stromleitend werdende Zenerd'iode Z2 bringt den Transistor Tr2 ebenfalls in sein Verstärkungsgebiet, so dass dieser wie bei der beschriebenen Spannungsregelung selbsterregte Sperrschwingungen hervorruft, von denen jede einzelne in der Sekundärwicklung 118 des Übertragers ü ein Sperrimpulspaar erzeugt, das den Leistungstransistor kurzzeitig sperrt.
Der besondere Vorteil bei der beschriebenen Verwendung von zwei Zenerdioden besteht darin, dass der Spannungsregelungsvorgang praktisch völlig unabhängig von dem Stromregelungsvorgang erfolgt und umgekehrt. Dabei hat es sich als zweckmässig erwiesen, den Widerstand R7, wie mit unterbrochenen Linien in der Zeichnung angedeutet, mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R 11 zu verbinden und zwischen dem Widerstand R7 und der Plusleitung einen Kondensator C4 von einigen pF anzuordnen. In diesem Falle erhält man nämlich eine Regelkennlinie, die auch bei steigendem Laststrom eine praktisch vollkommen konstant bleibende Spannung zwischen den Leitungen 10 und 12 ergibt.
Man kann sogar, falls dies erwünscht ist, durch Vergrössern des veränderbaren Widerstandes R 11 den Regler so einstellen, dass bis zu dem zulässigen Höchstwert des Laststromes, bei dem die Stromregelung einsetzt, die eingeregelte Spannung U zwischen den Leitungen 110 und 112 mit zunehmendem Laststrom ebenfalls schwach ansteigt. Wenn der Widerstand R9, wie in der Zeichnung dargestellt, ebenfalls veränderlich ist, kann man mit diesem denjenigen Wert des Laststromes einstellen, bei dem die Stromregelung einsetzen soll.