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Regeleinrichtung zur kontaktlosen Regelung der Spannung eines Nebenschlußgenerators,
insbesondere einer Lichtmaschine für Fahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf eine
Regeleinrichtung nach Patent 1095 923 zur kontaktlosen Regelung der Spannung eines
Nebenschlußgenerators, insbesondere einer zum Betrieb auf Kraftfahrzeugen bestimmten
Lichtmaschine, bei der ein in den Erregerstromkreis des Generators eingeschalteter
Leistungstransistor von einem mit seiner Basis an der zu regelnden Ausgangsspannung
des Generators liegenden Steuertransistor gesteuert wird, dessen Ausgangsleistung
zum Teil derart auf seinen Eingang rückgekoppelt ist, daß selbsterregte Schwingungen
entstehen.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zur Laststrombegrenzung
im Steuerkreis des Steuertransistors ein im Laststromkreis des Generators liegender
Widerstand vorgesehen und der an diesem Widerstand entstehende Spannungsabfall dem
Steuertransistor zur Einleitung des Schwingungseinsatzes über einen nichtlinearen
Widerstand zugeführt ist, der unterhalb eines vorgegebenen Wertes des Spannungsabfalles
im wesentlichen gesperrt ist, oberhalb dieses Wertes jedoch leitend wird.
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Als Stromleiter dieser Art läßt sich ein aktiver oder passiver Zweipol
verwenden, der negativ vorgespannt ist oder eine Stromspannungskennlinie mit ausgeprägtem
Knick aufweist. Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich, wenn eine Kristalldiode
mit Zenereffekt als Stromleiter verwendet wird.
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In der Zeichnung sind Schaltbilder von zwei Ausführungsbeispielen
des Erfindungsgegenstandes dar-,gestellt.
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Die im Schaltbild nach Fig. 1 mit F bezeichnete Feldwicklung einer
Gleichstromlichtmaschine, die von einem zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs bestimmten,
in der Zeichnung nicht dargestellten Antriebsmotor in Umdrehung versetzt werden
kann, liegt im Nebenschluß zu deren Anker G. Sie ist mit ihrem einen Ende an die
negative Bürste a der Lichtmaschine angeschlossen, während ihr anderes Ende mit
der Kollektorelektrode Cl eines Flächentransistors 10 verbunden ist, dessen Emitterelektrode
El an der positiven Bürste b der Lichtmaschine liegt. Die Größe des über die Feldwicklung
F fließenden Erregerstroms J, und damit die Höhe der im Anker G induzierten und
an den Bürsten a und b abgenommenen Spannung U hängt ab von der Größe
des über die Basiselektrode Bi des Transistors 10 fließenden Basisstromes Jb, der
über einen Widerstand 11 von etwa 100 Ohm zur Masse bzw. zur negativen Bürste a
geführt wird. Zur Steuerung des Transistors 10 ist ein zweiter Transistor
20 vorgesehen, der so geschaltet ist, daß er eine selbsterregte elektrische Schwingung
erzeugt. Zu diesem Zweck ist in seinem Ausgangskreis ein Transformator vorgesehen,
dessen Eisenkern in der Zeichnung mit 21 bezeichnet ist und drei im gleichen Wickelsinne
ausgeführte Wicklungen 22, 23, 24 sowie eine vierte Wicklung 27 trägt. Die mittlere
Wicklung 23 hat etwa 90 Windungen bei 20 mH und liegt mit ihrem einen Ende an der
mit der negativen Bürste a verbundenen Masseleitung; ihre anderes Ende ist mit der
Kollektorelektrode C., des Transistors 20 verbunden. In die Verbindungsleitung
von der Plusbürste b der Lichtmaschine zur Emitterelektrode EZ dieses Transistors
ist ein Lastwiderstand R von etwa 40 Miniohm derart eingeschaltet, daß die Emitterelektrode
E2 niedrigeres Potential als die Plusbürste b bekommt, wenn die Generatorspannung
U höher ist als die Spannung der mit 32 bezeichneten Sammlerbatterie und daher ein
Laststrom JL von der Plusbürste zur Plusklemme der Batterie über den Lastwiderstand
R fließt. Hinter dem Lastwiderstand R ist ein Siliciumgleichrichter 42 abgezweigt,
der zusammen mit einem in Reihe geschalteten Widerstand 43 einen Spannungsteiler
bildet, an dem die Emitterelektrode E2 des Transistors 20 liegt. Auf der Eingangsseite
des Transistors 20 ist die Basiselektrode B2 einerseits über einen einstellbaren
Widerstand 25 von etwa 10 Ohm mit dem Lastwiderstand R, andererseits mit der Minusbürste
a der Lichtmaschine über einen Widerstand 26 von etwa 40 bis 50 Ohm und die mit
ihm in Reihe geschaltete niederohmige Wicklung 24
verbunden. Von
der Wicklung 24 zweigt ein Gleichrichter 28 ab, der zusammen mit einem an die Wicklung
22 des Transformators 21 angeschlossenen zweiten Gleichrichter 29
an der Basiselektrode B1 des Transistors 10 liegt.
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Die Widerstände 25, 26 und der Gleichstromwiderstand der Wicklung
24 bilden den einen, der Gleichrichter 42 und der Widerstand 43 den anderen Zweig
einer nichtlinearen Brücke, deren Diagonalspannung sich wegen des stark gekrümmten
Kennlinienverlaufes des Gleichrichters 42 mehr als proportional zu den Abweichungen
der Generatorspannung U von ihrem Sollwert ändert. An die Batterie 32 können verschiedene
Verbraucher angeschlossen werden, von denen in Fig. 1 nur ein mit 33 bezeichneter
mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Um zu vermeiden, daß die Batterie sich
über die Lichtmaschine entladen kann, ist in ihre Zuleitung ein Gleichrichter 34
aus Halbleitermetall eingeschaltet.
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Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung läßt sich leicht übersehen,
wenn man davon ausgeht, daß die an den Bürsten a und b abgenommene
Spannung U
der Lichtmaschine im Ansteigen begriffen und der Widerstand 25
so eingestellt sei, daß bei Erreichen der Sollspannung die am Widerstand 25 abfallende
Teilspannung die Basis B, auf gleiches Potential wie die negativ vorgespannte Emitterelektrode
E2 des Transistors 20 bringt. Dadurch wird der Transistor 20 leitend, und es setzt
ein Kollektorstrom J2 ein, der im Wicklungsteil 24 eine durch den Pfeil U2 angedeutete
Spannung induziert. Diese Spannung U2 ist so gerichtet, daß sie die Basis B2 des
Transistors 20 gegenüber der Emitterelektrode E2 noch stärker negativ macht und
daher einen stark anwachsenden Basisstrom (dessen Maximalwert durch die Größe der
induzierten Spannung U., und die Größe der Widerstände 26 und 27 gegeben ist) und
demzufolge auch einen stark anwachsenden Kollektorstrom J2 erzeugt. Die vom Kollektorstrom
J2 während seines Anstiegs induzierte Spannung U2 ändert sich nur wenig. Der Kollektorstrom
'erreicht jedoch bald seinen Maximalwert, der durch den Maximalwert des Basisstromes
fi, und die Baudaten des Transistors festgelegt ist. Wenn sich dieser Maximalwert
eingestellt hat, verschwindet die in den Wicklungen induzierte Spannung U." und
das Potential der Basiselektrode B2 springt auf einen höheren Wert zurück, so daß
der Basisstrom f6 nicht mehr in der seitherigen Höhe aufrechterhalten werden kann.
Dadurch wird auch der Kollektorstrom f6 gedrosselt. Die Induktivität der Wicklung
23 wirkt dieser Änderung des Kollektorstromes entgegen und erzeugt einen Spannungsimpuls,
der in der Zeichnung mit einem in unterbrochenen Linien ausgeführten Spannungspfeil
U2' angedeutet ist. Durch diesen Spannungsimpuls wird der Transistor 20 vollends
in den nichtleitenden Zustand gesteuert, in dem er so lange gehalten wird, bis der
Spannungsimpuls U2' abgeklungen ist. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem
beginnen, wenn die Lichtmaschinenspannung U wieder ihren Sollwert erreicht.
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Da die in der Wicklung 24 infolge der Änderungen des Kollektorstromes
1, erzeugten Spannungen U> und U2' auf das Potential der Basiselektrode B2 und damit
auf den Eingangskreis des Transistors 20 im Sinne einer Verstärkung dieser Änderungen
wirken, entsteht eine selbsterregte elektrische Schwingung, bei welcher der Transistor
20 zwischen einem Betriebszustand mit hohem und einem Betriebszustand mit niedrigem
Kollektorstrom J2 nach Art eines monostabilen Sperrschwingers hin- und zurückkippt,
so oft die ansteigende Lichtmaschinenspannung bis zu dem am Widerstand 25 eingestellten
Sollwert angestiegen ist.
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Die Spannungsimpulse U2 und U"' werden über die Gleichrichter 28 und
29 auf einen Ladekondensator 35 gegeben, dessen Größe der Zeitkonstante der Lichtmaschine
angepaßt ist. Er hat einen Wert von etwa 25 bis 50 NF und ist parallel zu dem Basiswiderstand
11 an die Basis Bi des ersten Transistors 10 angeschlossen. Jeder der Spannungsstöße
bewirkt, daß das Potential der Basis Bi kurzzeitig angehoben wird und der Transistor
10 den Erregerstrom J,. stark drosselt, wodurch die Lichtmaschinenspannung abgesenkt
wird. Das Absinken der Lichtmaschinenspannung unter den Sollwert hat zur Folge,
daß der Transistor 20 so lange gesperrt bleibt und daher keine die Lichtmaschinenspannung
absenkenden Impulse auf den Transistor 10 zu geben vermag, bis die Lichtmaschine
sich wieder selbst auf ihre Sollspannung erregt hat. Dieser Vorgang wiederholt sich
in rascher Folge in der beschriebenen Weise, solange der Laststrom JG den Wert Null
(oder einen konstanten Wert) hat.
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Um eine überlastung der Lichtmaschine durch zu hohe Verbraucherströme
zu vermeiden, ist ihr Laststrom über den Lastwiderstand R geführt. Außerdem ist
vor dem Lastwiderstand R ein Zweipol 50 mit stark geknickter Kennlinie abgezweigt,
der in Reihe mit der Transformatorwicklung 27 liegt. Bei einer ausgeführten Regeleinrichtung
nach Fig. 1 hat sich als Zweipol eine Kristalldiode 51 mit Zenereffekt als besonders
wirkungsvoll erwiesen.
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Die Zenerdiode 51 liegt in der Schaltung nach Fig. 2 zusammen mit
der vierten Transformatorwicklung 27 parallel zu den Bürsten a und
b des Generators G und erhält daher praktisch deren volle Spannung
U. Solange kein Laststrom JL fließt, fällt am Lastwiderstand keine Spannung
ab. Mit zunehmendem Laststrom wächst jedoch der Spannungsabfall am Lastwiderstand
R, und der Transistor 20 wird von der nichtlinearen Brücke 42, 43 und 25, 26, 24
so gesteuert, daß die Generatorspannung U um den Betrag des Spannungsabfalls an
R ansteigt. Der mit S bezeichnete Punkt wird dabei praktisch auf konstantem Potential
gehalten. Der Wert des Widerstandes R ist so gewählt, daß die an der Zenerdiode
51 liegende Teilspannung der Lichtmaschinenspannung U die Durchbruchsspannung
erreicht, wenn der Laststrom JL den für die Lichtmaschine zulässigen Maximalwert
überschreitet. In diesem Augenblick wird die vorher gesperrte Zenerdiode 51 leitend,
so daß durch die Transformatorwicklung 27 Strom fließt, der in den übrigen Wicklungen
des Transformators Spannungsstöße induziert, die die gleiche Polarität haben wie
die für die Wicklung 24 eingezeichnete Spannung Uz. Durch diese zusätzliche Spannung
wird das Potential der Basiselektrode B2 des Transistors 20 herabgesetzt, und der
Transistor 20 gibt über die Wicklung 23 auf den Transistor 10 einen Sperrimpuls,
der zur Folge hat, daß die Generatorspannung absinkt. Gleichzeitig fällt die an
der Zenerdiode 51 liegende Teilspannung unter den Durchbruchswert dieser Diode,
so daß auch der Laststrom fällt.
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Gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 hat die Regeleinrichtung nach
Fig.2 den Vorteil, daß die Begrenzung des Maximalstromes JL unabhängig von der Höhe
der Lichtmaschinenspannung erfolgt.
Im Schaltschema nach Fig.2 sind
für Schaltelemente, die mit solchen nach Fig. 1 gleich oder gleichwirkend sind,
mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die zum Anker G der Lichtmaschine im Nebenschluß
arbeitende Feldwicklung F ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls an die Kollektorelektrode
C1 eines Flächentransistors 10 angeschlossen, dessen Emitterelektrode El an der
Plusbürste b der Lichtmaschine liegt, während seine Basis Bi über einen Widerstand
11 mit der Minusbürste a der Lichtmaschine verbunden ist. Die Basis Bi wird ebenfalls
von einem Steuertransformator mit drei in Reihe geschalteten Wicklungen 22, 23 und
24 über Gleichrichter 28 und 29 beeinflußt. Der Transformator wird gespeist durch
den Transistor 20, dessen Emitterbasisstrecke wie beim Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 im Diagonalzweig einer nichtlinearen Brücke liegt, die einerseits von dem
veränderbaren Widerstand 25 und dem Festwiderstand 26 sowie dem vernachlässigbar
kleinen Gleichstromwiderstand der Wicklung 24, andererseits von dem Festwiderstand
43 und dem als nichtlineares Brückenelement dienenden Siliciumgleichrichter 42 gebildet
wird.
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Abweichend von der Schaltung nach Fig. 1 ist bei derjenigen nach Fig.
2 der am Lastwiderstand R infolge des Laststroms JL entstehende Spannungsabfall
in die als Sollwertgeber für die Spannungsregelung dienende nichtlineare Brücke
eingekoppelt. Parallel zum Lastwiderstand R liegt ein nichtlinearer Spannungsteiler,
der aus einer in Flußrichtung betriebenen Kristalldiode 51 und einem Festwiderstand
52 von etwa 0,5 Ohm besteht. An den Verbindungspunkt des Spannungsteilers ist der
veränderbare Widerstand 25 angeschlossen. Solange die am Lastwiderstand R abfallende
Spannung klein ist, hat die Kristalldiode einen verhältnismäßig großen, bei großem
Spannungsabfall dagegen einen verhältnismäßig kleinen Widerstand.
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Durch diese spannungsabhängige Charakteristik der Diode 51 wird erreicht,
daß die an der Lichtmaschine eingeregelte Spannung U bis zu einem vorbestimmten
Wert des Laststroms TL annähernd konstant bleibt, oberhalb dieses Stromwertes jedoch
rasch abfällt.