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Spannungsregler für mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare Nebenschlußgeneratoren
niederer Spannung Die Erfindung bezieht sich auf einen volltransistorisierten Spannungsregler
für mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare, über eine im Nebenschluß liegende
Feldwicklung erregbare Generatoren niederer Spannung, insbesondere für Fahrzeuglichtmaschinen,
der außer einem über der zu regelnden Ausgangsspannung des Generators liegenden
Spannungsteiler und einem an den Spannungsteiler mit seiner Basis angeschlossenen
Steuertransistor noch einen zweiten, auf den Erregerstrom in der Feldwicklung einwirkenden
Transistor enthält, dessen Basiselektrode mit der über einen Widerstand an eine
der beiden Generatorausgangsleitungen angeschlossenen Kollektorelektrode des Steuertransistors
über einen weiteren Widerstand verbunden ist.
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Bei bekannten Reglern dieser Art ist als zweiter Transistor ein für
mindestens 3 bis 10 Ampere bemessener Leistungstransistor vorgesehen und mit seiner
Emitter-Kollektor-Strecke zur Feldwicklung in Reihe geschaltet. Durch die galvanische
Ankopplung seiner Basis an den Kollektor des Steuertransistors wird sichergestellt,
daß der Leistungstransistor beim Anlauf des Generators aus dem Stillstand heraus
voll stromleitend ist und dadurch die Selbsterregung des Generators gewährleistet.
Sobald sich jedoch der Generator auf den Sollwert seiner Ausgangsspannung erregt
hat, muß der seither gesperrte Steuertransistor stromleitend werden und den Leistungstransistor
sprunghaft in seinen Sperrzustand bringen. Es ist jedoch schwierig, bei hohen Umgebungstemperaturen
des Reglers den Leistungstransistor vollständig zu sperren, weil dieser bei hohen
Betriebstemperaturen, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen auftreten, eine
starke Eigenleitung hat, die auch bei kurzgeschlossener Emitter-Basis-Strecke einen
über die Feldwicklung des Generators gehenden Kollektorstrom zur Folge hat. Es ist
deshalb bei bekannten Reglern dieser Art erforderlich, in die an eine der beiden
Ausgangsleitungen des Generators angeschlossene Emitterzuleitung des Leistungstransistors
eine Diode einzubauen, damit der Transistor eine kleine Emittervorspannung zur vollständigen
Sperrung erhält. In manchen Fällen muß diese Wirkung sogar durch einen Querstrom
verstärkt werden, den man dadurch erhält, daß man die Emitterelektrode des Leistungstransistors
mit der anderen Ausgangsleitung des Generators über einen verhältnismäßig niederohmigen
Widerstand verbindet. Diese Maßnahmen ergeben zwar die gewünschte vollständige Sperrung
des Leistungstransistors, wenn der Steuertransistor beim Überschreiten des Sollwertes
der Generatorspannung stromleitend wird, haben jedoch den Nachteil, daß sie innerhalb
des den Regler umgebenden, möglichst klein zu haltenden Gehäuses eine erhebliche
Wärmeentwicklung mit sich bringen und daß außerdem die für die volle Erregung der
Feldwicklung des Generators zur Verfügung stehende Spannung um den Spannungsabfall
in der Emitterzuleitung des Leistungstransistors vermindert wird. Dieser Nachteil
fällt besonders dann ins Gewicht, wenn der Generator auf Fahrzeugen betrieben wird,
bei denen bereits bei niedrigen Antriebsdrehzahlen der Sollwert der Generatorausgangsspannung
erreicht werden soll.
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Diese Nachteile sind bei einem Regler der eingangs beschriebenen Art
vermieden, bei dem gemäß der Erfindung parallel zu dem weiteren, in der Basiszuleitung
des zweiten Transistors liegenden Widerstand ein Kondensator vorgesehen ist. Dieser
Kondensator wird, solange der zweite Transistor stromleitend ist, auf eine Spannung
aufgeladen, die dem vom Basisstrom des zweiten Transistors an diesem weiteren Widerstand
erzeugten Spannungsabfall entspricht, und verschiebt das Basispotential des zweiten
Transistors weit in dessen Sperrgebiet hinein, wenn der Steuertransistor beim Überschreiten
des Sollwertes stromleitend wird. Dadurch erreicht man auch bei hohen Umgebungstemperaturen
eine vollständige Sperrung des Leistungstransistors, ohne daß die für die Feldwicklung
zur Verfügung stehende Spannung verringert wird. Zweckmäßigerweise wird zu dem durch
den Kondensator überbrückten Widerstand ein Gleichrichter in Reihe geschaltet, der
in der Flußrichtung des Basisstromes des zweiten Transistors durchlässig ist. Der
Kondensator soll dann zu dieser aus Widerstand und Gleichrichter bestehenden Reihenschaltung
parallel liegen. Diese Maßnahme empfiehlt sich nicht nur dann, wenn der zweite Transistor
als
Leistungstransistor in den Stromkreis der Feldwicklung des Generators eingeschaltet
ist, sondern auch dann, wenn der zweite Transistor gemäß einem weiteren Vorschlag
der Erfindung zur Verringerung der im Regler entstehenden Verlustwärme mit seiner
Emitter-Kollektor-Strecke zur Basis-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors parallel
geschaltet ist, der den Erregerstrom der Feldwicklung des Generators führt. In diesem
Fall empfiehlt es sich weiterhin, zwischen dem Emitter und der Basis des zweiten
Transistors einen zweiten Gleichrichter vorzusehen, dessen Durchlaßrichtung entgegengesetzt
zur Durchlaßrichtung der parallel geschalteten Emitter-Basis-Strecke des zweiten
Transistors ist.
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Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind nachstehend an zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher
beschrieben und erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine elektrische Kraftfahrzeuglichtanlage
mit einer Lichtmaschine, einem Regler und einer Pufferbatterie in schematischer
Darstellung, Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild der Lichtmaschine und des Reglers,
während in Fig. 3 das elektrische Schaltbild eines verbesserten, für höhere Lichtmaschinenleistungen
geeigneten Reglers dargestellt ist.
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Die Lichtmaschine 10 nach Fig. 1 und 2 ist ein Drehstromgenerator,
der drei feststehende Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13 und eine umlaufende Erregerwicklung
15 aufweist, die auf dem nicht näher dargestellten Anker der Lichtmaschine sitzt
und über eine auf der Ankerwelle 16 verkeilte Riemenscheibe 17 vom Motor eines ebenfalls
nicht dargestellten Kraftfahrzeuges gegenüber den Wechselstromwicklungen in Umdrehung
versetzt werden kann. Jede der Wechselstromwicklungen 11 bis 13 steht mit einer
gemeinsamen, an Masse angeschlossenen Minusleitung 19 über einen von drei Gleichrichtern
20 in Verbindung und vermag der bei 21 angedeuteten Pufferbatterie und den nicht
dargestellten, an diese anschließbaren Stromverbrauchern des Kraftfahrzeuges Strom
über je einen von drei weiteren Gleichrichtern 22 zuzuführen, wenn die Lichtmaschine
mit genügend hohen Drehzahlen angetrieben wird. Damit sich die Batterie 21 nicht
über den auf dem Lichtmaschinengehäuse 10 sitzenden Regler 25 bei stillstehender
Lichtmaschine entladen kann, ist zwischen der an die Gleichrichter 22 angeschlossenen,
zum Regler 25 führenden Plusleitung 26 und der Plusklemme 23 der Batterie ein als
Rückstromschalter wirkender Gleichrichter 24 vorgesehen, der außerdem sicherstellt,
daß der im folgenden näher beschriebene Regler nur in Abhängigkeit von der zwischen
den Leitungen 19 und 26 wirksamen Ausgangsspannung der Lichtmaschine, dagegen nicht
in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhe der Spannung der Batterie 21 arbeitet.
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In dem bei 25 angedeuteten Reglergehäuse sind zwei aus Germanium hergestellte
p-n-p-Transistoren 30 und 31 sowie ein über der zu regelnden Spannung zwischen der
Minusleitung 19 und der Plusleitung 26 liegendes Potentiometer 32 und ferner eine
als Sollwertgeber dienende Zenerdiode 33 untergebracht. Von diesen beiden Transistoren
dient der mit 30 bezeichnete, mit seiner Basis über die Zenerdiode 33 an den Abgriff
34 des Potentiometers 32 angeschlossene Transistor als Steuertransistor für den
Leistungstransistor 31, der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur Feldwicklung
15 des Generators in Reihe geschaltet ist und dieser den bei J,, angedeuteten Erregerstrom
zuführt, solange die Ausgangsspannung des Generators unter dem vorgeschriebenen
Sollwert liegt. Dieser beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 14 V. Zur Einsparung
von Schaltelementen ist die Basis des Leistungstransistors 31 galvanisch mit dem
Kollektor des Transistors 30 verbunden. Der Kollektor des Steuertransistors 30 ist
durch einen Arbeitswiderstand 35 von etwa 20 Ohm an die Minusleitung 19 angeschlossen.
Solange die Ausgangsspannung des Generators ihren Sollwert noch nicht erreicht hat
und die zwischen dem Abgriff 34 des Potentiometers 32 und der Plusleitung 26 herrschende
Spannung den Durchbruchswert von 8 V der Zenerdiode 33 nicht überschreitet, bleibt
die Zenerdiode und die mit ihr in Reihe liegende Emitter-Basis-Strecke des Steuertransistors
stromlos. Der Steuertransistor 30 ist dann gesperrt, während der Leistungstransistor
31 mit seiner Basis über den Widerstand 35 Strom führen kann und daher den Erregerstrom
Je für die Feldwicklung des Generators liefert.
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Beim Überschreiten der genannten Spannungswerte wird die in ihrer
Sperrichtung beanspruchte Zenerdiode 33 stark stromleitend und bewirkt, daß der
Steuertransistor mit seinem jetzt einsetzenden, über den Widerstand 35 gehenden
Kollektorstrom Jk den Leistungstransistor 31 in sein Sperrgebiet bringt. Damit dieser
Sperrzustand auch bei hohen Umgebungstemperaturen und daher auch bei hohen Betriebstemperaturen
des Leistungstransistors 31 sicher erreicht wird, ist erfindungsgemäß zwischen der
Basis des Leistungstransistors und dem mit dem Widerstand 35 verbundenen Kollektor
des Steuertransistors 30 ein Widerstand 36 vorgesehen, der mit einem vorzugsweise
aus Silizium hergestellten Halbleitergleichrichter 37 in Reihe geschaltet ist und
zusammen mit diesem Gleichrichter durch einen Parallelkondensator 38 von etwa 0,5
lF überbrückt wird. Der Gleichrichter 37 liegt mit seiner Durchlaßrichtung in der
Flußrichtung des bei stromleitendem Leistungstransistor 31 über die Widerstände
36 und 35 der Minusleitung zufließenden Basisstromes des Leistungstransistors 31.
Der Widerstand 36 ist etwa 5 Ohm groß und ergibt daher bei einem Sollwert von 14
V für die Ausgangsspannung des Generators unter dem Einfluß dieses Basisstromes
einen Spannungsabfall von etwa 5,2 V, während an dem Gleichrichter 37 ein Spannungsabfall
von etwa 0,8 V entsteht. Der Kondensator 38 kann sich daher, solange der Leistungstransistor
31 stromleitend ist, auf eine Spannung von 6 V aufladen. Sobald der Kollektorstrom
Jk des Steuertransistors 30 einsetzt, erzeugt dieser am Widerstand 35 einen Spannungsabfall
von etwa 13,5 V. Zu diesem Spannungsabfall addiert sich die Spannung des noch geladenen
Kondensators 38, so daß das Basispotential des Leistungstransistors 31 sprunghaft
auf 13,5 + 6 =19,5 V angehoben und daher um 5,5 V positiver als das Emitterpotential
des Leistungstransistors wird. Dann kann über die Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors
auch bei starker Eigenleitung kein Strom mehr fließen, und der Leistungstransistor
wird daher bei allen in Betracht kommenden Betriebstemperaturen sicher gesperrt.
Infolge des jetzt fehlenden Erregerstromes Je sinkt die Ausgangsspannung des Generators
unter ihren Sollwert ab. Wenn der Sollwert unterschritten
wird,
kann die Zenerdiode 33 keinen Strom mehr führen., der Steuertransistor 30 wird gesperrt,
und der Leistungstransistor 31 kann erneut in seinen voll stromleitenden Betriebszustand
zurückkehren. Dann kann die Erregung in der Lichtmaschine und mit ihr die Ausgangsspannung
wieder ansteigen, so daß das beschriebene Spiel von neuem beginnt.
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Die eben beschriebene Wirkung, die der Widerstand 36 und der Kondensator
35 haben, tritt auch dann auf, wenn der Gleichrichter 37 nicht vorhanden ist. Die
Verwendung dieses Gleichrichters bringt jedoch den Vorteil mit sich, daß sich der
Kondensator nicht vollständig entladen kann, sondern eine Restspannung beibehält,
die beim Schwellspannungswert von etwa 0,7 V des Gleichrichters 37 liegt. Auf diese
Weise ist es möglich, auch bei kleinen Kapazitätswerten des Kondensators 38 sicherzustellen,
daß das Potential der Basis des Leistungstransistors 31 positiv gegenüber dem Emitter
bleibt und daher den Leistungstransistor ?1 gesperrt hält, bis der Steuertransistor
in seinen ursprünglichen Sperrzustand zurückkehrt.
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Bei Lichtmaschinen großer Leistung ergibt sich infolge der größeren
Induktivität der Erregerwicklung und der Induktivitäten der Wechselstromwickiungen,
daß die Ausgangsspannung der Lichtmaschine den Änderungen des Erregerstromes erst
mit einer Verzögerung folgt, die um so größer wird, je größer die Lichtmaschine
ist. Um in diesem Fall eine starke Welligkeit der Ausgangsspannung zu verhindern
und ein weitgehend von der Größe der Lichtmaschine unabhängiges, rasches Regelspiel
zu erreichen. ist in Weiterbildung der Erfindung zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors
31 und der Basis des Steuertransistors 30 ein Rückführungszweig vorgesehen, der
aus einem Widerstand 4.0 und .einem mit diesem in Reihe geschalteten Kondensator
41 besteht. Außerdem ist zur Emitter-Basis-Strecke des Steuertransistors 30 ein
Widerstand 42 von etwa 300 Ohm parallel geschaltet, der zusammen mit dem 0.1 pF
großen Kondensator 41 und dem 6000 Ohm großen Widerstand 40 einen Spannungsteiler
bildet. Über diesen Spannungsteiler gelangt an die Basis des Steuertransistors 30
ein Teil derjenigen Spannung, die dann entsteht, wenn der Erregerstrom J,, beim
Stromloswerden des Leistungstransistors unterbrochen wird. Beim Stromloswerden des
Transistors 31. wird nämlich eine induktive Gegenspannung in der Feldwicklung 15
erzeugt, die einen Ausgleichsstrom J" hervorruft, der über eine Halbleiterdiode
44 fließt und an dieser eine Spannung von etwa 0,5 V erzeugt. Der Kollektor des
stromlos gewordenen Leistungstransistors liegt dann an einem urn diese Spannung
unter das Potential der Minusleitung 19 erniedrigten Potential. Der Kondensator
41 versucht sich daher aufzuladen und ruft dabei einen zusätzlichen, über die Emitter-Basis-Strecke
des Steuertransistors 30 gehenden Strom hervor, der den Steuertransistor wesentlich
stärker stromleitend macht, als es dem wirklichen Spannungsunterschied zwischen
dem Sollwert und dem tatsächlichen Wert der am Abgriff 34 des Potentiometers 32
wirksamen Spannung entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, daß die beiden Transistoren
30 und 31 sprunghaft vom stromleitenden in den gesperrten Betriebszustand und umgekehrt
umsteuern. Außerdem hat der dem Kondensator 41 zufließende Ladestrom am Widerstand
42 einen Spannungsabfall zur Folge, durch den die wirksame Spannung zwischen den
Elektroden der Zenerdiode 33 geringfügig verkleinet_ wird. Diese kann daher zu einem
wesentlich früheren Zeitpunkt stromlos werden, ohne daß die Ausgangsspannung der
Lichtmaschine um einen merklichen Betrag abgesunken ist. Dies ergibt einen wesentlich
rascheren Wechsel der Perioden voller Stromleitung und gänzlicher Sperrung der beiden
Transistoren 30 und 31 und demzufolge eine wesentlich geringere Welligkeit der Ausgangsspannung
des Generators.
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Der in Fig. 3 als zweites Ausführungsbeispiel dargestellte Regler
weist gegenüber dem Regler nach Fig. 2 einige Verbesserungen auf. Soweit er gleiche
oder gleich wirkende Schaltelemente wie der Regler nach Fig. 2 enthält, sind diese
mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zu jenem Ausführungsbeispiel ist
beim Regler nach Fig.3 der mit seiner Basis an den Steuertransistor 30 angeschlossene
zweite Transistor 31 nicht als Leistungsschalter 'iir den .Erregerstrom der Lichtmaschine
benutzt. E dient vielmehr als Stromverstärker für einen besonderen, in der Zeichnung
bei 45 angedeuteten Leistungstransistor, der mit seiner Emitterelektrode unmittelbar
an die Plusleitung und mit seiner Kollektorelektrode an die Feldwicklung der zu
regelnder Lichtmaschine angeschlossen ist. Zur Einsparung eines besonderen, von
der Basis des Leistungstransistors 45 zur Minusleitung 19 vorzusehenden Widerstandes,
der eine erhebliche Wärmeentwicklung hervorrufen würde, ist der zweite Transistor
31 mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur Basis-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors
45 parallel geschaltet. Wenn der zweite Transistor 31 bei Erreichen des Sollwertes
stromlos wird, kann auch der Leistungstransistor keinen Strom führen. Um die Wirkung
der dann stromlosen Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors 31 zu verstärken,
ist ein zusätzlicher Germaniumgleichrichter 46 mit seiner Zuleitungselektrode an
die Basis des Transistors 31 und mit seiner Ableitungselektrode an die mit dem Emitter
des Transistors 31 verbundene Basis des Leistungstransistors 45 angeschlossen. Dadurch
wird erreichi, das die Basis des Leistungstransistors über den in dieser Richtung
stromleitenden Gleichrichter 46 am gleichen Potential gehalten wird wie die Basis
des zweiten Transistors 31, deren Potential für die Dauer der Sperrung dieser beiden
Transistoren durch die Ladung des Kondensators 39 bestimmt wird.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen ist außerdem eine Strombegrenzungseinrichtung
vorgesehen, die dazu bestimmt ist, die Ausgangsspannung des Generators dann stark
herabzusetzen, wenn z. B. infolge eines Kurzschlusses in einem angeschlossenen Verbraucher
der Laststrom der Lichtmaschine einen vorgeschriebenen Höchstwert zu überschreiten
droht. Hierzu ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in der Verbindungsleitung
von der Wechselstromwicklung 12 zu den Gleichrichtern 20 und 22 die Primärwicklung
50 eines Stromwandlers eingeschaltet, der zwei miteinander verbundene, an die Plusleitung
26 angeschlossene Sekundärwicklungen 51 und 52 hat. Die Sekundärwicklungen sind
hintereinandergeschaltet und durch einen einstellbaren Widerstand 53 überbrückt.
Die in den Wicklungen 51, 52 induzierten Spannungen sind dem über die Primärwicklung
50 fließenden Teil des Laststromes proportional und werden durch zwei Gleichrichter
54 und 55 gleichgerichtet und dem Abgriff des Potentiometers 32 über
eine
Leitung 56 zugeführt. Sobald die zwischen der Plusleitung 26 und der Steuerleitung
56 wirksame Spannung den Wert der Durchbruchsspannung der Zenerdiode 33 überschreitet,
wird diese unabhängig von der Größe der Ausgangsspannung des Generators stromleitend
und bringt über den Steuertransistor 30 den Leistungstransistor 31 in seinen Sperrzustand.
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Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 die Gleichrichter 54 und
55 über die Leitung 56 mit dem Abgriff 34 des Potentiometers 32 unmittelbar verbunden
sind und die gleichgerichtete Spannung daher durch das Potentiometer 32 belastet
wird, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zwischen der mit der Zenerdiode 33
verbundenen Leitung 56 und dem Abgriff 34 des Potentiometers eine für den Basisstrom
des Transistors 30 durchlässige Germaniumdiode 58 vorgesehen. Durch diese Diode
wird erreicht, daß die gleichgerichtete, dem Laststrom proportionale Spannung durch
das Potentiometer nicht belastet wird und daher eine mit einem scharfen Knick einsetzende
Stromregelung ergibt, wenn der zulässige Höchstwert des Laststromes erreicht wird.