Spannungsregler für mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare Wechsel-bzw.
Drehstromgeneratoren Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler für einen
mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbaren Wechselstrom-, insbesondere Drehstromgenerator,
der über einen Gleichrichtersatz auf eine Batterie arbeitet und eine Nebenschluß-Feldwicklung
hat, die an die Emitter-Kollektor-Strecke eines zum Regler gehörenden Leistungstransistors
angeschlossen ist, dessen zugehöriger Steuertransistor mit seinem Emitter-Basis-Kreis
über einen Sollwertgeber an der zu regelnden Ausgangsspannung des Gleichrichtersatzes
liegt.Voltage regulator for alternating or changing speeds that can be driven at high speeds.
Alternators The invention relates to a voltage regulator for a
Alternating current, especially three-phase current generators that can be driven with strongly changing speeds,
which works on a battery via a rectifier set and a shunt field winding
which has to be connected to the emitter-collector path of a power transistor belonging to the regulator
is connected, the associated control transistor with its emitter-base circuit
Via a setpoint generator to the output voltage of the rectifier set to be regulated
lies.
Bei bekannten Reglern dieser Art liegt in Reihe mit der Erregerwicklung
des Generators die Emitter-Kollektor-Strecke eines Haupttransistors, der von einem
oder mehreren vorgeschalteten Steuertransistoren in einen solchen Leistungszustand
gebracht wird, daß der Generator bei der jeweiligen Belastung eine Ausgangsspannung
zu liefern vermag, die auch mit steigender Belastung nur geringfügig von einem festgelegten
Sollwert abweicht, der beispielsweise bei 12,6-V-Lichtanlagen zwischen 13,5 und
14V liegt. Damit man bei derartigen Reglern große Erregerströme mit Hilfe von Transistoren
beherrschen kann, empfiehlt es sich, für den Haupttransistor eine Betriebsweise
vorzusehen, bei welcher dieser periodisch aus seinem voll stromleitenden Zustand
in seinen Sperrzustand umgesteuert wird. Zur Erzielung einer für diese Betriebsweise
notwendigen beträchtlichen Steuerleistung an der Basis des Haupttransistors werden
bei bekannten Schaltungen mehrere Transistoren in Kaskadenschaltung hintereinander
angeordnet. Außerdem sind Regler bekanntgeworden, bei welchen über der Gleichstromausgangsseite
des Gleichrichtersatzes einer Drehstromlichtmaschine ein Spannungsteiler liegt,
dessen Abgriff über eine als Sollwertgeber dienende Zenerdiode mit der Basis eines
Steuertransistors verbunden ist, der in einer Sperrschwingerschaltung auf einen
Transformator arbeitet, dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit der
Basis eines mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur Feldwicklung des Generators
in Reihe liegenden Leistungstransistors verbunden ist. Bei großen Erregerströmen
der Lichtmaschine genügen zur Steuerung des Leistungstransistors die mit derartigen
Sperrschwingerschaltungen erzielbaren Steuerleistungen nicht, weil der Sperrschwinger
durch den Basisstrom des Leistungstransistors belastet wird. Für eine gute Ausnutzung
des Leistungstransistors ist es außerdem notwendig, diesen zur Einstellung des mittleren
Erregerstromwertes kurzzeitig und periodisch aus einem voll stromleitenden in seinen
Sperrzustand überzuführen und dieses Regelspiel auf einer möglichst niedrigen Frequenz
zu halten, damit die für die Übergänge vom einen in den entgegengesetzten Betriebszustand
erforderlichen Zeitspannen möglichst klein im Verhältnis zu der Dauer des nachfolgenden
Betriebszustandes werden.Known regulators of this type are in series with the excitation winding
of the generator, the emitter-collector path of a main transistor, which is from a
or several upstream control transistors in such a power state
is brought that the generator at the respective load an output voltage
capable of delivering that, even with increasing load, is only slightly different from a specified one
The setpoint deviates, for example in 12.6 V lighting systems between 13.5 and
14V is present. So that with such regulators large excitation currents with the help of transistors
can master, it is advisable to have an operating mode for the main transistor
provide in which this periodically from its fully current-conducting state
is reversed into its locked state. To achieve one for this mode of operation
necessary considerable control power at the base of the main transistor
in known circuits several transistors in cascade connection one behind the other
arranged. In addition, regulators have become known in which via the direct current output side
the rectifier set of a three-phase alternator has a voltage divider,
its tapping via a Zener diode serving as a setpoint generator with the base of a
Control transistor is connected, which is in a blocking oscillator circuit on a
Transformer works whose secondary winding via a rectifier with the
Basis of one with its emitter-collector path for the field winding of the generator
connected in series power transistor. With large excitation currents
of the alternator are sufficient to control the power transistor with such
Blocking oscillator circuits cannot achieve control outputs because the blocking oscillator
is loaded by the base current of the power transistor. For good use
of the power transistor, it is also necessary to set the middle
Excitation current value briefly and periodically from a fully conductive to his
Transfer the lock state and this control game at the lowest possible frequency
to keep so that the transitions from one to the opposite operating state
required periods of time as small as possible in relation to the duration of the following
Operating status.
Diese Aufgaben sind bei einem Spannungsregler der eingangs beschriebenen
Art gelöst, bei welchem gemäß der Erfindung zwischen dem Steuertransistor und dem
Leistungstransistor ein in an sich bekannter Weise als Magnetverstärker arbeitender
Transformator mit einer Primärwicklung, einer Sekundärwicklung und einer Gleichstromsteuerwicklung
vorgesehen ist, die Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter in Reihe liegt, jedoch
zur wenigstens zeitweisen Sperrung des Leistungstransistors verwendet ist, während
die Primärwicklung über einen Vorwiderstand unmittelbar an zwei Wechselspannung
führende Ausgangsleitungen des Generators angeschlossen ist und die Gleichstromsteuerwicklung
mit der Emitter-Kollektor-Strecke des Steuertransistors in Reihe liegt.In the case of a voltage regulator, these tasks are as described at the beginning
Kind of solved in which according to the invention between the control transistor and the
Power transistor a working in a manner known per se as a magnetic amplifier
Transformer with a primary winding, a secondary winding and a DC control winding
is provided, the secondary winding is in series with a rectifier, however
is used for at least temporarily blocking the power transistor, while
the primary winding directly to two alternating voltages via a series resistor
leading output lines of the generator is connected and the DC control winding
is in series with the emitter-collector path of the control transistor.
Es sind bereits Anordnungen mit mehreren Magnetverstärkern zur Compoundierung
selbsterregter Synchrongeneratoren bekanntgeworden. Jeder der Magnetverstärker trägt
dort eine in eine andere der drei Phasenleitungen eingeschaltete primäre Laststromwicklung,
eine Sekundärwicklung und eine Steuerwicklung, wobei die Steuerwicklungen untereinander
parallel geschaltet an einen Spannungsregler angeschlossen sind, der die Gleichstromvormagnetisierung
so ändert, daß die den Sekundärwicklungen über Gleichrichter entnommene Errregerleistung
den Sollwert der Ausgangsspannung bei den verschiedenen
Belastungen
des Generators aufrechterhalten kann. Bei mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbaren
Fahrzeuglichtmaschinen lassen sich derartige Compoundierungsschaltungen nicht verwenden.
Von der bei Magnetverstärkern vorteilhaften niedrigen Steuerleistung kann jedoch
auch bei Reglern für Fahrzeuglichtmaschinen Gebrauch gemacht werden, wenn der als
Magnetverstärker arbeitende Transformator nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag zur
Steuerung des den Erregerstrom führenden Leistungstransistors verwendet wird.There are already arrangements with several magnetic amplifiers for compounding
self-excited synchronous generators became known. Each of the magnetic amplifiers carries
there a primary load current winding connected to another of the three phase lines,
a secondary winding and a control winding, the control windings with each other
connected in parallel to a voltage regulator, which biases the direct current
changes so that the excitation power taken from the secondary windings via rectifiers
the setpoint of the output voltage for the various
charges
of the generator can be maintained. When drivable with strongly changing speeds
Vehicle alternators cannot be used with such compounding circuits.
However, from the low control power which is advantageous in magnetic amplifiers
can also be used with regulators for vehicle alternators if the as
Magnetic amplifier working transformer according to the proposal according to the invention for
Control of the power transistor carrying the excitation current is used.
Die Erfindung ist an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben und erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Lichtanlage für Fahrzeuge
mit einer Drehstromlichtmaschine, einem Regler und einer an die Lichtmaschine angeschlossenen
Pufferbatterie, Fig. 2 das elektrische Schaltbild dieser Anlage, Fig. 3 ein Schaubild
zur Erklärung der Wirkungsweise des Reglers.The invention is based on an embodiment shown in the drawing
described and explained in more detail. 1 shows a lighting system for vehicles
with a three-phase alternator, a regulator and one connected to the alternator
Buffer battery, FIG. 2 the electrical circuit diagram of this system, FIG. 3 a diagram
to explain how the controller works.
Die Drehstromlichtmaschine enthält gemäß Fig. 1 und 2 in ihrem Gehäuse
10 drei feststehende Wicklungen 11, 12 und 13 sowie eine Nebenschluß-Feldwicklung
15, die auf dem in der Zeichnung nicht dargestellten Anker der Lichtmaschine
sitzt und gegenüber den Wechselstromwicklungen 11 bis 13 durch eine auf der Ankerwelle
16 sitzende Riemenscheibe 17 in Umdrehung versetzt werden kann. Jede der Weehselstromwicklungen
steht über eines von drei Gleichrichterpaaren mit dem Pluspol und dem Minuspol einer
Batterie 18 in Verbindung, wobei von den ebenfalls im Lichtmaschinengehäuse 10 untergebrachten
Gleichrichterpaaren die mit 19 angedeuteten Gleichrichter auf eine gemeinsame
Plusleitung 20 arbeiten, an die der auf der Lichtmaschine sitzende Regler
21 angeschlossen ist. Die übrigen drei bei 14 angedeuteten Gleichrichter sind an
eine gemeinsame Minusleitung 22 angeschlossen.The three-phase alternator contains according to FIGS. 1 and 2 in its housing 10 three fixed windings 11, 12 and 13 and a shunt field winding 15, which sits on the armature of the alternator, not shown in the drawing and opposite the alternating current windings 11 to 13 by a the armature shaft 16 seated pulley 17 can be set in rotation. Each of the alternating current windings is connected to the positive pole and the negative pole of a battery 18 via one of three rectifier pairs, whereby of the rectifier pairs also housed in the alternator housing 10, the rectifiers indicated with 19 work on a common positive line 20 to which the regulator sitting on the alternator works 21 is connected. The other three rectifiers indicated at 14 are connected to a common negative line 22.
Erfindungsgemäß enthält der Regler einen als Magnetverstärker arbeitenden
Transformator mit auf einem gemeinsamen Eisenkern 25 sitzender Primärwicklung 26
und Sekundärwicklung 27 und einer auf den gleichen Kern einwirkenden Gleichstromsteuerwicklung
28 und einem über der zu regelnden Spannung der Lichtmaschine zwischen den Leitungen
20 und 22 liegenden Spannungsteiler 30. An den Abgriff 31 des Spannungsteilers ist
über eine in ihrer Sperr-Richtung beanspruchte Zenerdiode 32 die Basis eines Vortransistors
33 angeschlossen, dessen Emitter ummittelbar an der Plusleitung 20 liegt.
Von seinem Kollektor zur Minusleitung 22 führt ein Arbeitswiderstand 34 von etwa
500 Ohm. Außerdem ist an seinen Kollektor die Basis eines Steuertransistors 36 angeschlossen,
dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit der Steuerwicklung 28 des Transformators und
einem Begrenzungswiderstand 37 von etwa 50 Ohm in Reihe geschaltet ist. Die Sekundärwicklung
27 des Transformators arbeitet auf vier in Graetz-Schaltung miteinander verbundene
Gleichrichter 40, 41, 42 und 43, von denen die mit 40 und 41 bezeichneten mit ihrer
Ableitungselektrode unmittelbar an die Basis eines Transistors 45 angeschlossen
sind. Von der Basis des Tranistors 45 zur Minusleitung 22 führt ein Widerstand 46,
der zusammen mit einer zu den Gleichrichtern 40 bis 43 in Reihe geschalteten Siliziumdiode
47 einen Spannungsteiler bildet und sicherstellt, daß beim Anlauf der Lichtmaschine
aus dem Stillstand heraus der Transistor 45 stromleitend ist und den mit seiner
Basis an dessen Emitter angeschlossenen Leistungstransistor 50 ebenfalls in stromleitendem
Zutand hält, so daß über die Feldwicklung 15 ein zur Selbsterregung ausreichender
Erregerstrom J, fließen kann. Das vom Erregerstrom in der Feldwicklung erzeugte
Magnetfeld induziert bei genügend hoher Antriebsdrehzahl der Lichtmaschine in den
Wechselstromwicklungen Spannungen, die eine Erhöhung des Erregerstromes hervorrufen
und dadurch bewirken, daß die Gleichstrom-Ausgangsspannung zwischen den Leitungen
20 und 22 rasch auf den einzuhaltenden Sollwert von 28 V ansteigen kann. Damit diese
Spannung nicht überschritten wird, ist die Primärwicklung 26 des Transformators
über ein Potentiometer 51 mit den beiden Wechselstromwicklungen 12 und 13 der Lichtmaschine
verbunden. Sie erhält über den Abgriff 52 des Potentiometers einen mit den Wechselspannungen
nur schwach ansteigenden Wechselstrom J",. Dieser Strom erzeugt in der Wicklung
27 eine Spannung, die entsprechend der in Fig. 3 dargestellten Magnetisierungskennlinie
53 des Eisenkerns 25 klein ist, wenn der über die Steuerwicklung 28 fließende Kollektorstrom
JL. des Transistors 36 einen großen Wert hat und daher den bei A1 dargestellten
Arbeitspunkt einstellt. Dieser beim Anlauf der Lichtmaschine vorhandene Betriebszustand
wird so lange beibehalten, solange die Spannung zwischen den Leitungen 20 und 22
unterhalb des vorgeschriebenen Sollwertes bleibt. Denn dann ist die Zenerdiode 32
und damit der Vortransistor 33 praktisch gesperrt, so daß sich der Steuertransistor
36 in voll stromleitendem Betriebszustand befindet. Die zwischen den Wicklungsenden
der Wicklung 27 auftretende, in Fig. 3 bei 54 angedeutete Wechselspannung
ist dann so klein, daß sie mit ihrem Scheitelwert den Betrag der zwischen der Plusleitung
20 und der Basis des Transistors 45 wirksamen, durch den Spannungsteiler über die
Gleichrichter 47, 40 bis 43 und den Widerstand 46 eingestellten Vorspannung nicht
erreicht und daher den Transistor 45 und den Leistungstransistor nicht aus seinem
voll stromleitenden Betriebszustand zu bringen vermag. Wenn jedoch die Sollspannung
erreicht wird, bringt die stromleitend werdende Zenerdiode 32 über den ebenfalls
stromleitend werdenden Vortransistor 33 den Steuertransistor 36 in seinen nahezu
gesperrten Betriebszustand, bei dem sein Kollektorstrom nur noch den bei J2 angedeuteten
Wert hat. Der Transformator arbeitet dann im Arbeitspunkt A#, und erzeugt in der
Wicklung 27 eine solch große, bei 55 angedeutete Wechselspannung, daß die Basis
des Transistors 45 jeweils kurzzeitig positiv gegenüber der Plusleitung 20
wird und der Transistor 45 daher in seinen Sperrzustand gelangt. Dann kann
auch der Leistungstransistor nicht mehr stromleitend bleiben und unterbricht den
der Feldwicklung 15 zufließenden Erregerstrom solange, bis die Generatorspannung
unter den Sollwert absinkt und das beschriebene Spiel von neuem beginnt.According to the invention, the controller contains a transformer working as a magnetic amplifier with a primary winding 26 and secondary winding 27 seated on a common iron core 25 and a direct current control winding 28 acting on the same core and a voltage divider 30 between lines 20 and 22 above the voltage to be regulated from the alternator the tap 31 of the voltage divider is connected to the base of a pre-transistor 33, the emitter of which is directly connected to the positive line 20 , via a Zener diode 32 which is stressed in its reverse direction. A working resistance 34 of approximately 500 ohms leads from its collector to the negative line 22. In addition, the base of a control transistor 36 is connected to its collector, the emitter-collector path of which is connected in series with the control winding 28 of the transformer and a limiting resistor 37 of approximately 50 ohms. The secondary winding 27 of the transformer operates on four rectifiers 40, 41, 42 and 43 connected to one another in a Graetz circuit, of which those labeled 40 and 41 are connected directly to the base of a transistor 45 with their discharge electrode. A resistor 46 leads from the base of the transistor 45 to the negative line 22, which forms a voltage divider together with a silicon diode 47 connected in series with the rectifiers 40 to 43 and ensures that the transistor 45 is conductive when the alternator starts up from standstill also keeps the power transistor 50 connected with its base to its emitter in a current-conducting state, so that an excitation current J which is sufficient for self-excitation can flow via the field winding 15. The magnetic field generated by the excitation current in the field winding induces voltages in the alternating current windings at a sufficiently high drive speed of the alternator, which cause an increase in the excitation current and thereby cause the direct current output voltage between lines 20 and 22 to rise rapidly to the setpoint of 28 V to be maintained can. So that this voltage is not exceeded, the primary winding 26 of the transformer is connected to the two alternating current windings 12 and 13 of the alternator via a potentiometer 51. Via the tap 52 of the potentiometer, it receives an alternating current J ″, which increases only slightly with the alternating voltages. This current generates a voltage in the winding 27 which is small according to the magnetization characteristic 53 of the iron core 25 shown in FIG The collector current JL. Of the transistor 36 flowing through the control winding 28 has a large value and therefore sets the operating point shown at A1 then the Zener diode 32, and thus the prior transistor 33 is practically closed, so that the control transistor is in full current-conducting operating state 36. the 27 occurring between the winding ends of the winding in Fig. 3, indicated at 54, alternating voltage is then so small that they with its peak value is the amount between the plusle iteration 20 and the base of the transistor 45 effective, bias voltage set by the voltage divider via the rectifiers 47, 40 to 43 and the resistor 46 is not reached and therefore cannot bring the transistor 45 and the power transistor out of its fully current-conducting operating state. However, when the target voltage is reached, the current-conducting Zener diode 32 brings the control transistor 36 into its almost blocked operating state via the also current-conducting pre-transistor 33, in which its collector current only has the value indicated at J2. The transformer then operates at operating point A #, and generates such a large alternating voltage in winding 27, indicated at 55, that the base of transistor 45 briefly becomes positive with respect to positive line 20 and transistor 45 therefore enters its blocking state. Then the power transistor can no longer remain conductive and interrupts the excitation current flowing to the field winding 15 until the generator voltage falls below the nominal value and the described game begins again.
Damit die im Arbeitspunkt Az erzeugte, zur Sperrung der Transistoren
45 und 50 dienende Wechselspannung 55 wirkungsvoll an die Basis des
Leistungstransistors 50 gelangen kann, ist zwischen der Basis und der Emitterelektrode
des Transistors 45 ein in dieser Richtung stromdurchlässiger Germaniumhalbleiter
56 vorgesehen. Dieser bewirkt, daß beim überschreiten des Sollwertes der Ausgangsspannung
außer dem Transistor 45 auch der Leistungstransistor gesperrt wird.So that the alternating voltage 55 generated at the operating point Az and used to block the transistors 45 and 50 can effectively reach the base of the power transistor 50, a germanium semiconductor 56 which is current-permeable in this direction is provided between the base and the emitter electrode of the transistor 45. This has the effect that, when the setpoint value of the output voltage is exceeded, not only the transistor 45 but also the power transistor is blocked.