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Elektronische Spannungsregeleinrichtung für Generatoren elektrischer
Fahrzeuganlagen Gegenstand der Erfindung ist eine elektronische Spannungsregeleinrichtung
für Generatoren mit großem Erregerstrombereich. Derartige Generatoren werden zur
Speisung elektrischer Fahrzeuganlagen in großem Umfang verwendet und sind dort stark
drehzahlabhängig angetrieben. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen
Regeleinrichtung ist die Spannungsregelung von Zugbeleuchtungsgeneratoren und Lichtmaschinen
beispielsweise von Kraftfahrzeugen, wo der Generator neben den Verbrauchern auch
noch ein Batteriebordnetz speist. Für Generatoranlagen dieser Art wird verlangt,
daß die Regeleinrichtung neben einfachem Aufbau und größter Genauigkeit geringste
räumliche Abmessungen besitzt, auch bei großen Erschütterungen noch einwandfrei
arbeitet und vor allen Dingen keiner Wartung bedarf. Diese Bedingungen werden bei
bekannten Regeleinrichtungen durch die ausschließliche Verwendung von Transistoren
bereits erfüllt. Diese bekannten Transistorregler sind in der Regel als Zweipunktregler
aufgebaut, die nach dem bekannten Tirrillprinzip arbeiten. Hierbei ist in den Erregerstromkreis
der Feldwicklung des Generators ein Schalttransistor eingeschaltet, der in Abhängigkeit
von der Generatorspannung abwechselnd zu- und aufgesteuert wird. Das Tastverhältnis,
d. h. das Verhältnis zwischen öffnungs- und Schließungszeit des Schalttransistors
ist hierbei abhängig vom Betrag der Regelabweichung. Die Steuerung des Schalttransistors
erfolgt entweder durch eine vorgeschaltete Transistorkippstufe oder aber durch einen
vorgeschalteten Transistor, der mit dem Schalttransistor zusammen eine Kippstufe
bildet. Die Schaltfrequenz dieser Einrichtungen ist konstant, und im wesentlichen
bestimmt durch das sogenannte Halteverhältnis der Kippstufe und die Zeitkonstante
des Regelkreises. Grundsätzlich ist man bestrebt, die Schaltfrequenz so groß wie
möglich zu machen, weil dann die quasistetige Wirkung der Regelung um so größer
wird. Da eine Verringerung der Zeitkonstante des Regelkreises mit wirtschaftlich
tragbarem Aufwand nicht möglich und in vielen Fällen auch technisch unmöglich ist,
versucht man, die Schaltfrequenz dadurch zu erhöhen, daß man als Halteverhältnis
für die Kippstufe den Wert 1 anstrebt. Unabhängig von der Forderung nach einer möglichst
großen Schaltfrequenz besteht daneben die Forderung nach einer großen Regelgenauigkeit.
Es ist bekannt, daß sich die Spannung von Generatoren elektrischer Fahrzeuganlagen
nicht nur mit der stark schwankenden Verbraucherlast, sondern auch mit der sehr
stark schwankenden Antriebsdrehzahl des Generators verändert. Die Konstantregelung
der Spannung eines solchen Generators verlangt daher eine Veränderung des Erregerstromes
in sehr weiten Grenzen. Das Tastverhältnis des pulsierenden Erregerstromes weicht
daher zwischen Leerlauf und Vollast bzw. geringer und hoher Drehzahl des Generators
extrem weit nach oben und unten vom Wert 1 ab. Es macht sich in diesem Fall dann
die Tatsache sehr unangenehm bemerkbar, daß die Auf- und Aberregungszeiten des Erregerstromkreises
unterschiedlich sind. Als Folge hiervon sowie infolge der zusätzlichen Verzerrung
der Kurvenform des Erregerstromes durch die beim Schalten des Transistors auftretenden
Stromspitzen stellt sich bei Annäherung des Erregerstromwertes an die Grenzen des
Erregerstrombereiches eine Generatorspannung ein, deren Mittelwert nach oben und
unten relativ weit vom Ansprechwert der Kippstufe abweicht. Diese Wirkung ergibt
sich grundsätzlich auch dann, wenn das Halteverhältnis der Kippstufe dem nur theoretisch
erreichbaren Wert 1 entsprechen würde.
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Bei den bisher bekannten Transistorreglern für Generatoren elektrischer
Fahrzeuganlagen ergab sich demzufolge eine relativ geringe Regelgenauigkeit. Die
vorliegende Erfindung zeigt einen Weg auf, wie es möglich ist, mit geringstem Aufwand
die Regelgenauigkeit der oben näher beschriebenen bekannten Transistorregler wesentlich
zu erhöhen und darüber hinaus auch noch die quasistetige Wirkung der Regelung zu
verbessern. Erfindungsgemäß ist für die Spannungsregeleinrichtung als Kippstufe
ein an sich bekannter, von der Regelgröße über einen nichtlinearen Widerstand und
eine Trenndiode gesteuerter Schmitt-Trigger vorgesehen, dessen Halteverhältnis
dem
Wert 1 soweit wie möglich entspricht, wobei der Regelgröße am Eingang dieses Triggers
zwecks Erhöhung der Schaltfrequenz eine ihrer Änderungsgeschwindigkeit proportionale
Größe überlagert ist und wobei weiterhin zwecks Verbesserung der Regelgenauigkeit
dem Eingang des Triggers eine dem Mittelwert der Kollektorspannung des Schalttransistors
proportionale Gleichspannung über eine andere Trenndiode im mitkoppelnden Sinn aufgeschaltet
ist.
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Die Ausführung und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung wird
im folgenden unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Schaltbilder
erläutert.
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In Fig. 1 der Zeichnung sind die einzelnen Stufen der Regeleinrichtung
mit den Bezugszahlen 1 bis 3 versehen. Im einzelnen ist mit 1 die Eingangsstufe
bezeichnet, die aus einem mit den Transistoren 4 und 5 bestückten Schmitt-Trigger
besteht. Ein derartiger Trigger hat gegenüber anderen Kippstufen den Vorteil, daß
er in einfacher Weise so eingetrimmt werden kann, daß sein Halteverhältniswert nahe
an den theoretischen Wert 1 heranreicht. Die Schaltfrequenz einer solchen Kippstufe
ist daher von Haus aus schon größer als die anderer Kippstufen. Die Schaltung dieses
Triggers ist an sich bekannt. Die Speisung der Transistoren dieser Stufe erfolgt
bei der dargestellten Einrichtung ebenso wie die Speisung der Transistoren der anderen
beiden Stufen von der Spannung des zu regelnden Generators 6 her. Der Schmitt-Trigger
arbeitet bekanntlich so, daß er bei stetiger Eingangsgröße eine unstetige Ausgangsgröße
abgibt. Das in Fig. 2 gezeigte Diagramm zeigt diese Abhängigkeit der Ausgangsgröße
A von der Eingangsgröße E. Es ist zu ersehen, daß bei Unterschreiten eines Wertes
E2 der Eingangsgröße die Ausgangsgröße auf einen konstanten Wert springt und erst
dann wieder auf den Wert Null zurückspringt, wenn die Eingangsgröße um einen bestimmten
Betrag wieder auf den etwas höheren. Wert El verändert wird. Durch an sich bekannte
Schaltungsmaßnahmen, die bei dem Trigger der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt
wurden, hat man erreicht, daß der Wert des Halteverhältnisses El/E2 nahe an den
Wert 1 heranreicht. Dadurch ist es möglich, diesen Trigger als einen Zweipunktregler
auszunutzen. In der erfindungsgemäßen Anordnung arbeitet dieser Trigger daher so,
daß er eine Ausgangsspannung konstanter Amplitude abgibt, sobald sein Ansprechwert
unterschritten wird, und daß die Ausgangsspannung sofort auf Null zurückgeht (bzw.
auf den Wert des Transistorreststromes), wenn sein Ansprechwert wieder überschritten
wird.
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Zur Verstärkung der Ausgangsspannung der Vorstufe 1 dient der Vorverstärker
2, der in an sich bekannter Weise angekoppelt und mit zwei Transistoren bestückt
ist. Nach der Verstärkung gelangt die Signalspannung zum Eingang des Leistungstransistors
7 der Endstufe 3. In den Kollektorkreis dieses Transistors ist die Feldwicklung
8 des Generators 6 eingeschaltet, dessen Spannung als Regelgröße dem Eingang
des Schmitt-Triggers über ein Potentiometer 9 und einen nichtlinearen Widerstand,
im Beispiel einer Zenerdiode 10, aufgeschaltet ist. Die Zwischenschaltung
einer Sperrdiode 11 ist erforderlich, damit die Vorspannung des Transistors
4 unbeeinflußt bleibt. Der Abgriff des Potentiometers 9 ist mit dem Minuspol
des Generators 6 über einen Vorhaltekondensator 12 verbunden, so daß schon die Änderungsgeschwindigkeit
der Generatorspannung an den Eingang des Triggers gelangt. Diese Maßnahme bewirkt
eine zusätzliche Vergrößerung der Schaltfrequenz des Reglers.
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Um bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine größere Regelgenauigkeit
zu erhalten, ist dem Eingang des Triggers der Mittelwert der Kollektorspannung des
Leistungstransistors 7 in mitkoppelndem Sinn aufgeschaltet. Der Mittelwert
dieser Spannung wird durch das dem Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors 7 parallel
geschaltete RC-Reihenglied 13, 14 gewonnen und die Mitkopplungsspannung an
dem dem Kondensator 14 parallel geschalteten Potentiometer 15 abgegriffen.
Die Aufschaltung der Mitkopplungsspannung erfolgt wiederum über eine Sperrdiode
16 auf den Eingang des Triggers.
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Um den Transistor 7 vor Zerstörung zu schützen, sind einige besondere
Maßnahmen erforderlich. So ist es beispielsweise notwendig, der Feldwicklung 8 einen
Freilaufgleichrichter 17 parallel zu schalten. Dieser hält den Strom in der
Feldwicklung aufrecht, solange der Transistor 7 gesperrt ist. Infolgedessen können
durch das Schalten des Transistors in der Feldwicklung keine hohen Spannungsspitzen
induziert werden, die den Wert der zulässigen Kollektorspannung des Transistors
überschreiten. Zum Schutz gegen die außerordentlich hohen Spannungsspitzen, die
beim Schalten des Transistors 7 durch die Induktivität der Leitungen hervorgerufen
werden, ist es ferner unerläßlich, den Klemmen der Regeleinrichtung, über die die
Generatorspannung zugeführt wird, ein überspannungsbegrenzungsglied parallel zu
schalten. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist hierzu ein RC-Glied 18, 19 vorgesehen;
es können hier aber auch andere bekannte Begrenzungsmittel Verwendung finden, beispielsweise
Dioden.
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In sehr vielen Fällen, vor allem dann, wenn der Generator zusätzlich
auf ein Batteriebordnetz arbeitet, ist auch eine Begrenzung des Generatorstromes
auf seinen zulässigen Wert oder den zulässigen Wert des Batterieladestromes erforderlich.
Eine derartige Strombegrenzung läßt sich beider erfindungsgemäßen Einrichtung ohne
weiteres durchführen, wenn, wie in dem Schaltbild nach Fig. 1 dargestellt ist, dem
Trigger zusätzlich eine dem Laststrom proportionale und an einem Widerstand, insbesondere
einem Potentiometerwiderstand 20, abgegriffene Spannung über eine Sperrdiode
21 aufgeschaltet wird. Die Spannungsregelung des Generators wird dann durch
eine Strombegrenzungsregelung abgelöst, wenn die am Widerstand 20 abgegriffene
Spannung den Wert der Schleusenspannung der Diode 21, die vorzugsweise eine Siliziumdiode
ist, überschreitet.
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Bei Gleichstromgeneratoren, die neben einem anderen Verbraucher auch
die Batterie eines Bordnetzes aufladen, ist es vielfach notwendig, die Spannung
am Verbraucher konstant zu halten und gleichzeitig die Ladespannung der Batterie
in Abhängigkeit vom Laststrom zu vergrößern, damit diese so stark aufgeladen wird,
daß sie bei vorübergehendem Stillstand des Generators die Speisung der Verbraucher
in, genügendem Maße übernehmen kann. Für solche Zwecke ist die erfindungsgemäße
Regeleinrichtung in der in Fig. 3 der Zeichnung abgebildeten Schaltung ohne weiteres
zu verwenden. Der hier nur schematisch dargestellte Regler mit seinen Stufen 1,
2, 3 wird hier von der Spannung des Generators 6 gespeist, während das Potentiometer
9
(Sollwerteinsteller) über einen Widerstand 22 dem Generator 6 parallel geschaltet
ist. Der Lastwiderstand wird über den Lastschalter 23 und den gleichen Widerstand
22 von der Generatorspannung gespeist. Ihm ist über einen an sich bekannten Rückstromschalter
die Batterie des Bordnetzes parallel geschaltet, wobei in die gemeinsame Zuleitung
der Widerstand 20, der die Strombegrenzung der Regeleinrichtung wirksam macht,
eingeschaltet ist. Bei Stillstand des Generators wird beim Einschalten des Lastschalters
23 die Last ausschließlich aus der Batterie des Bordnetzes gespeist. Sobald
der Generator Spannung abgibt, wird der Rückstromschalter 24 um-gelegt,
so daß die Batterie an die Generatorspannung gelegt wird. Solange der Lastschalter
geöffnet ist, wird dabei die Batterie bei normalem Sollwert der Spannung aufgeladen,
wobei eine Ladestrombegrenzung über den Widerstand 20 voll wirksam werden
kann. Wird nun der Lastschalter 23 geschlossen, so ruft der Laststrom am
Widerstand 22 einen ihm proportionalen Spannungsabfall hervor, um den sich die am
Meßglied 9 anliegende Spannung jetzt gegenüber der Generatorspannung vermindert.
Der Regler wirkt daher jetzt auf den Generator im Sinne einer Spannungserhöhung
ein, die aber nur an den Klemmen der Batterie voll wirksam wird. Im übrigen wird
nunmehr jetzt die Spannung am Verbraucher konstant gehalten, deren Sollwert zuvor,
beispielsweise beim Einschalten des Verbrauchers durch einen Hilfskontakt
23' des Lastschalters 23, der einen Teilwiderstand des Potentiometers 9 überbrückt,
eingestellt wurde. Auch in diesem Belastungsfall wird die Strombegrenzungsregelung
voll wirksam, wenn der Generatorstrom seinen Grenzwert übersteigt.
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Beim Aufbau des Reglers sollte grundsätzlich darauf geachtet werden,
daß das Meßglied über getrennte Zuführungsleitungen mit den Generatorklemmen verbunden
wird. Man kann dadurch eventuelle Rückwirkungen auf die Regelgenauigkeit der Einrichtung
vermeiden.
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Abschließend sei noch erwähnt, daß die erfindungsgemäße Regeleinrichtung
nicht nur auf Verwendung in Verbindung mit Gleichstromgeneratoren beschränkt ist.
Selbstverständlich ist damit auch eine Regelung von Wechsel- und Drehstromgeneratoren
mit und ohne Erregermaschine möglich, wenn man entsprechende Meßglieder verwendet.