-
Schutzanordnung für den Haupttransistor eines Spannungsreglers Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schutzanordnung für einen im Erregerkreis eines
mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbaren selbsterregten Generators eingeschalteten
Haupttransistor, über dessen Emitter-Kollektor-Strecke sowie über einen in seiner
Emitterzuleitung liegenden Vorwiderstand die Erregerwicklung periodisch mit Strom
versorgt wird, wobei zur Sicherstellung der Erregung beim Anlauf des Generator aus
dem Stillstand heraus die Basis des Haupttransistors mit dem anderen Ende der Erregerwicklung
über einen Basiswiderstand verbunden ist und zur Steuerung des Haupttransistors
in Abhängigkeit von der Höhe der Generatorausgangsspannung ein mit seiner Basis
an dieser Ausgangsspannung angeschlossener Vortransistor vorgesehen ist.
-
Es sind bereits Sicherungseinrichtungen zum Schutz gegen Überspannungen
bekanntgeworden, die einen in Reihe mit einem Widerstand in einer der Gleichstromzuleitungen
eines Verbrauchers angeordneten Serientransistor enthalten, der durch einen weiteren
Transistor in seinen Sperrzustand übergeführt werden soll, wenn am Verbraucher eine
unzulässig hohe Spannung auftritt. Bei dieser bekannten Anordnung geht jedoch der
Serientransistor in seinen voll stromleitenden Zustand über, wenn im Verbraucher
ein Kurzschluß auftritt. Er wird daher bei einem Kurzschluß nicht gegen den dann
auftretenden zu großen Emitter-Kollektor-Strom und die dabei entstehende unzulässig
hohe Emitter-Kollektor-Spannung geschützt.
-
Die mit einem Haupttransistor und mit einem Steuertransistor versehenen
Spannungsregler für mit stark wechselnden Drehzahlen angetriebene selbsterregte
Generatoren sollen zur Sicherstellung der Selbsterregung des Generators bei dessen
Anlauf aus dem Stillstand heraus einen ausreichenden Erregerstrom über die Feldwicklung
des Generators zulassen. Hierzu ist es notwendig, daß der Haupttransistor mit dem
spannungsseitigen Ende der Erregerwicklung über einen Basiswiderstand verbunden
ist und daß außerdem der mit der Emitter-Kollektor-Strecke des Haupttransistors
in Reihe geschaltete Vorwiderstand nur sehr kleine Werte aufweist. Bei derartigen
Reglern besteht jedoch die Gefahr, daß bei voll erregtem Generator in der Erregerwicklung
ein diese teilweise oder ganz überbrückender Kurzschluß auftritt, der zur Folge
hat, daß die Generatorspannung unter ihren Sollwert absinkt und daß demzufolge der
Steuertransistor den Haupttransistor voll stromleitend hält. Da jedoch die Abklingzeit
der Generatorausgangsspannung verhältnismäßig groß ist, der Haupttransistor dagegen
bereits in Bruchteilen von Sekunden bei einer durch Kurzschluß in der Erregerwicklung
verursachten überlastung durchschlägt und dann unbrauchbar wird, ist es erforderlich,
eine Schutzanordnung vorzusehen, die ohne Verzögerung eingreift, sobald der für
den Haupttransistor zulässige Emitter-Kollektor-Stromwert überschritten wird. Außerdem
ist es erforderlich, daß sich der Generator nahezu vollständig entregt und sich,
solange der Kurzschluß vorliegt, nicht wieder erregen kann. Dieses Betriebsverhalten
läßt sich mit einem in bekannter Weise an den Haupttransistor angeschlossenen Schutztransistor
nicht erreichen, da dieser den Haupttransistor wieder in stromleitenden Zustand
zurückkehren lassen würde, sobald die Ausgangsspannung und damit der über den Haupttransistor
fließende Kurzschlußstrom absinkt.
-
Für eine der obengenannten Aufgabe gerecht werdende Schutzanordnung
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die am Vorwiderstand des zu schützenden
Haupttransistors entstehende Spannung der Steuerelektrode eines Halbleitergleichrichters
zugeführt wird, der mit seiner Anoden-Kathoden-Strecke in einer Verbindungsleitung
vom basisseitigen Ende des Basiswiderstandes des Haupttransistors zu dem nicht mit
dessen Emitter verbundenen Ende des Vorwiderstandes liegt.
-
Durch die Verwendung eines steuerbaren Halbleiters, dessen Leitungszustand
nur dadurch aufgehoben werden kann, daß seine Betriebsspannung wenigstens nahezu
auf Null abgesenkt wird, läßt sich erreichen, daß der Generator sich nicht mehr
selbst erregen kann, solange über seiner Feldwicklung ein zu unzulässig hohen Strömen
im Haupttransistor führender Kurzschluß vorliegt. Ein solcher Kurzschluß braucht
selbstverständlich nicht die gesamte Feldwicklung zu umfassen, wenn auch ein bei
voll
erregtem Generator auftretender, die gesamte Feldwicklung erfassender
Kurzschluß die weitaus größte Gefährdung für den Haupttransistor mit sich bringt.
-
Zweckmäßigerweise wird der Halbleitergleichrichter zur Emitter-Kollektor-Strecke
des Vortransistors parallel geschaltet. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Durchbruchsspannung
des gesteuerten Gleichrichters wesentlich höher als die vom Spannungsregler konstant
zu haltende Ausgangsspannung des Generators zu wählen. Wenn die Betriebsspannung
des Generators größer ist als etwa 100 V, kann es nach einem weiteren Vorschlag
gemäß der Erfindung zweckmäßig sein, zur Anoden-Kathoden-Strecke des Halbleitergleichrichters
eine in gleicher Richtung stromdurchlässige Halbleiterdiode in Reihe zu schalten
und diese Diode unmittelbar an den Kollektor des Vortransistors anzuschließen und
außerdem den Verbindungspunkt des steuerbaren Gleichrichters und der Diode mit dem
Abgriff eines aus wenigstens zwei Widerständen bestehenden, über der zu regelnden
Ausgangsspannung des Generators liegenden Spannungsteilers zu verbinden.
-
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine zum Betrieb auf Eisenbahnfahrzeugen bestimmte,
aus einer Lichtmaschine, einem Regler und einer parallel zur Lichtmaschine arbeitenden
Sammlerbatterie bestehende Lichtanlage in der Ansicht; in F i g. 2 ist das elektrische
Schaltbild dieser Lichtanlage dargestellt; F i g. 3 zeigt das elektrische Schaltbild
eines abgewandelten Reglers.
-
Die Lichtmaschine der Lichtanlage nach F i g. 1 enthält in ihrem Gehäuse
10 auf einer über eine Keilriemenscheibe 11 antreibbaren Ankerwelle 1.2 einen in
F i g. 2 bei 15 angedeuteten Gleichstromanker und eine im Gehäuse befestigte Erregerwicklung
16, die mit einem ihrer beiden Wicklungsenden mit der Plusbürste 17 der Lichtmaschine
und einer an diese angeschlossenen Plusleitung 18 verbunden ist. An die Minusbürste
19 ist über eine Minusleitung 20 der Minuspol einer Sammlerbatterie 21 angeschlossen,
deren Plusklemme über einen in dieser Richtung stromdurchlässigen Gleichrichter
22 Ladestrom zur Versorgung nicht dargestellter Verbraucher zugeführt werden kann,
wenn die Ausgangsspannung der Lichtmaschine zwischen den Leitungen 18 und 20 auf
Werte oberhalb von 110 V ansteigt.
-
Damit diese Ausgangsspannung bei sehr hohen Antriebsdrehzahlen der
Lichtmaschine nicht über den genannten Sollwert hinaus anwachsen kann, ist ein elektronischer
Spannungsregler 25 (F i g. 1.) vorgesehen, der auf dem Lichtmaschinengehäuse 10
sitzt und die in F i g. 2 mit unterbrochenen Linien umrahmte Schaltungsanordnung
enthält.
-
Im einzelnen weist der Spannungsregler 25 einen mit seinem Kollektor
an das andere Wicklungsende der Erregerwicklung 16 angeschlossenen Haupttransistor
26 und außerdem einen Vortransistor 27 auf, der dazu bestimmt ist, den Haupttransistor
26 periodisch aus seinem stromleitenden in den nichtleitenden Zustand zu steuern,
sobald die Ausgangsspannung der Lichtmaschine über ihren Sollwert anzusteigen droht.-
Um beim Anlauf der Lichtmaschine aus dem Stillstand heraus sicherzustellen, daß
der Haupttransistor 26 stromleitend ist und die Lichtmaschine sich selbst erregen
kann, sind zwischen der Plusleitung 18 und der Basis des Haupttransistors 26 ein
Widerstand 28 von 160 Ohm, ein Widerstand 29 von 40 Ohm und ein für den von
der Plusleitung 18 zur Basis des Haupttransistors fließenden Strom durchlässiger
Gleichrichter 30 vorgesehen. An den Verbindungspunkt der beiden Widerstände 28 und
29 ist der Kollektor des Vortransistors 27 angeschlossen. Zwischen der Basis des
Haupttransistors 26 und dem Kollektor des Vortransistors 27 liegt ein Kondensator
31 von etwa 0,1 «F. Am Abgriff 32 eines mit der Minusleitung 20 verbundenen und
über einen Vorwiderstand 33 an die Plusleitung 18 angeschlossenen Potentiometers
34 liegt mit einer ihrer beiden Elektroden eine Zenerdiode 35, die mit ihrer anderen
Elektrode an die Basis des Vortransistors 27 und an einen mit der Minusleitung 20
verbundenen Widerstand 36 von etwa 200 Ohm angeschlossen ist. Die Durchbruchsspannung
der Zenerdiode ist so gewählt, daß diese stromleitend wird, wenn die Ausgangsspannung
der Lichtmaschine zwischen den beiden Leitungen 18 und 20 ihren Sollwert von 110
V überschreitet. Dann kann vom Abgriff 32 über die Zenerdiode zur Basis des Vortransistors
27 und von dort zu dem mit der Minusleitung 20 verbundenen Emitter des Vortransistors
27 ein Steuerstrom fließen, der die Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors
stromleitend macht und den Haupttransistor 26 in der weiter unten näher beschriebenen
Weise sperrt.
-
Solange der Sollwert der Ausgangsspannung nicht erreicht wird, bleibt
der Vortransistor 27 gesperrt und der Haupttransistor 26 voll stromleitend. Dann
erzeugt der über den Widerstand 29 fließende Basisstrom des Haupttransistors an
diesem Widerstand einen Spannungsabfall von etwa 20 V. Die mit dem Kollektor des
Vortransistors 27 verbundene Elektrode des Kondensators 31 kann sich dann auf eine
gegenüber ihrer mit der Basis des Haupttransistors verbundenen anderen Elektrode
auf diese Spannung aufladen. Wenn die Ausgangsspannung der Lichtmaschine ihren Sollwert
von 110 V überschreitet, wird der Vortransistor zusammen mit der Zenerdiode 35 stromleitend.
Sein über den Widerstand 28 fließender Kollektorstrom erzeugt einen Spannungsabfall
von etwa 100 V, zu dem sich die dann vorhandene Ladung des Kondensators 31
addiert und das Potential der Basis des Leistungstransistors 26 auf einen Wert absenkt,
der um etwa 10 V niedriger als das Potential der Minusleitung 20 ist. Hierdurch
wird der Haupttransistor 26 vollkommen gesperrt und der seither über die Erregerwicklung
16 fließende Erregerstrom unterbrochen. Die im Abschaltaugenblick entstehende induktive
Spannungsspitze wird durch einen vom Kollektor zur Plusleitung 18 führenden, in
dieser Richtung stromdurchlässigen Gleichrichter 37 zum großen Teil abgefangen und
über einen Widerstand 38 und einen mit diesem in Reihe liegenden Kondensator 39
so auf die Basis des Vortransistors 27 gegeben, daß dieser für eine durch die Ladezeitkonstante
des Kondensators 39 bestimmte Zeitdauer stromleitend gehalten wird. Infolge des
fehlenden Erregerstromes sinkt die Ausgangsspannung der Lichtmaschine rasch unter
ihren Sollwert ab. Dies hat zur Folge, daß der seither über die Zenerdiode 35 fließende
Steuerstrom des Transistors 27 nicht mehr aufrechterhalten werden kann
und
der Transistor daher in seinen Sperrzustand zurückkehrt. Der Haupttransistor 26
kann dann in seinen ursprünglichen leitenden Zustand zurückgelangen und so lange
einen über die Erregerwicklung 16 fließenden Erregerstrom führen, bis die Sollspannung
wieder erreicht wird und das beschriebene Reglerspiel von neuem beginnt.
-
Um den Haupttransistor 26 davor zu schützen, daß bei einem in der
Feldwicklung 16 auftretenden Kurzschluß die volle oder ein großer Teil der zwischen
den Ausgangsleitungen 18 und 20 herrschenden Spannung von der Emitter-Kollektor-Strecke
dieses Transistors aufgenommen werden muß, ist erfindungsgemäß die nachstehend beschriebene
Schutzanordnung vorgesehen. Diese enthält einen in der Verbindungsleitung vom Haupttransistor
26 zur Minusleitung 20 liegenden Vorwiderstand 40, zu dem ein einstellbares Potentiometer
41 parallel geschaltet ist, und einen steuerbaren Halbleitergleichrichter 42, dessen
Anode mit dem Kollektor des Vortransistors 27 verbunden ist und dessen Kathode unmittelbar
an der Minusleitung 20 liegt. Die bei 43 angedeutete Steuerelektrode des Halbleitergleichrichters
ist mit dem einstellbaren Abgriff 44 des Potentiometers 41 verbunden und macht den
Halbleitergleichrichter stromleitend, sobald zwischen dem Emitter des Haupttransistors
26 und der Minusleitung 20 ein Spannungsabfall von mehr als 10 V auftritt, der dann
entsteht, wenn der Emitterstrom des Haupttransistors 26 seinen für zulässig angesehenen
Höchstwert von 1,5 Amp. überschreitet. Der stromleitend gewordene Halbleitergleichrichter
42 stellt dann einen niederohmigen Kurzschluß zum Vortransistor 27 dar und führt
einen solch großen über den Basiswiderstand 28 fließenden Strom, daß der Haupttransistor
26 auch dann in seinen Sperrzustand zurückkehrt, wenn die Ausgangsspannung der Lichtmaschine
bereits unter ihren Sollwert abgefallen sein sollte. Erst wenn sich die Lichtmaschine
nahezu vollständig entregt hat und ihre Ausgangsspannung auf einen sehr niedrigen
Wert abgefallen ist, kehrt der Halbleitergleichrichter 42 selbsttätig wieder in
seinen Sperrzustand zurück. Wenn der Kurzschluß in der Zwischenzeit aufgehoben worden
ist, so kann sich die Lichtmaschine erneut erregen und der Regler in der eingangs
beschriebenen Weise arbeiten. Sollte jedoch beim erneuten Inbetriebnehmen der Lichtmaschine
der Kurzschluß immer noch vorhanden sein und einen großen Teil der Erregerwicklung
erfassen, so kann sich die Lichtmaschine nicht mehr erregen. Erfaßt der Kurzschluß
jedoch nur einen kleinen Teil der Erregerwicklung, so kann sich zwar die Lichtmaschine
selbst erregen. Sobald jedoch der vorher erwähnte kritische Wert von 1,5 Amp. des
über den Vorwiderstand 40 fließenden Erregerstromes erreicht wird, gelangt der Halbleitergleichrichter
42 erneut in stromleitenden Zustand und sperrt den Haupttransistor 26 in der vorher
beschriebenen Weise.
-
Der in seinem Schaltbild in F i g. 3 dargestellte Regler 50 kann wie
der Regler 25 nach F i g. 2 in einer Lichtanlage für Fahrzeuge verwendet werden.
Soweit er gleiche oder gleich wirkende Bauteile wie der Regler nach F i g. 2 enthält,
sind diese mit gleichen Bezugszeichen versehen. Abweichend vom vorher beschriebenen
Ausführungsbeispiel ist bei dem Regler 50 nach F i g. 3 in der Verbindungsleitung
vom Kollektor des Vortransistors 27 zur Minusleitung 20 nicht nur ein steuerbarer
Gleichrichter 52 vorgesehen, sondern auch ein mit diesem in Reihe geschalteter nicht
steuerbarer Gleichrichter 53. Dieser liegt mit seiner Anode unmittelbar am Kollektor
des Vortransistors 27. Damit der steuerbare Gleichrichter 52, der nur eine verhältnismäßig
niedrige Durchbruchsspannung zwischen seiner Anode und seiner mit der Minusleitung
20 verbundenen Kathode erträgt, in dem für eine höhere Betriebsspannung bemessenen
Regler verwendet werden kann, ist zwischen der Plusleitung und der Minusleitung
20 ein aus zwei Widerständen 54 und 55 bestehender Spannungsteiler vorgesehen. An
den Verbindungspunkt A dieser beiden Widerstände ist sowohl die Anode des steuerbaren
Gleichrichters 52 als auch die Kathode des diesem vorgeschalteten nicht steuerbaren
Gleichrichters 53 angeschlossen. Die Steuerelektrode des Gleichrichters 52 liegt
wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel am Abgriff 44 des Potentiometers
41, das zu dem in der Emitterzuleitung des Haupttransistors 26 angeordneten Vorwiderstand
40 parallel geschaltet ist. Die Spannungsteilerwiderstände 54, 55 sind so gewählt,
daß das Potential des Punktes A dauernd höher als das Potential des Kollektors des
Vortransistors 27 bleibt.
-
Der steuerbare Gleichrichter 52 bleibt so lange gesperrt, bis der
über den Vorwiderstand 40 fließende Erregerstrom der Lichtmaschine einen für zulässig
angesehenen, durch die Einstellung des Abgriffs 44 festgelegten Höchstwert erreicht.
Wenn dieser Fall eintritt, schließt der steuerbare Gleichrichter 52 den Widerstand
55 kurz und bewirkt dadurch, daß der Kollektor des Vortransistors 27 ebenfalls annähernd
auf das Potential der Minusleitung 20 gebracht wird, da hierbei der Gleichrichter
53 eine niederohmige Verbindung zu dem ebenfalls stark stromleitenden, steuerbaren
Gleichrichter 52 herstellt.
-
Der nicht gesteuerte Gleichrichter 53 hat gleichzeitig die Aufgabe,
zu verhindern, daß bei ungestörtem Betrieb des Reglers die am Verbindungspunkt der
beiden Spannungsteilerwiderstände 54 und 55 abgegriffene Spannung auf die Basis
des Haupttransistors 26 einwirken kann. Dadurch wird sichergestellt, daß der Haupttransistor
26 ausreichend gesperrt wird, wenn der Vortransistor 27 beim Überschreiten des Sollwertes
der Ausgangsspannung in seinen stromleitenden Zustand gelangt.
-
Der besondere Vorteil der beschriebenen Schutzschaltung liegt in folgendem:
Wenn der steuerbare Gleichrichter 42 bzw. 52 infolge eines auftretenden Feldkurzschlusses
einmal stromleitend geworden ist, behält er diesen Zustand auch bei fehlender Steuerspannung
an seiner Steuerelektrode 43 noch so lange bei, wie zwischen den Ausgangsleitungen
18 und 20 der Lichtmaschine eine Spannung vorhanden ist. Auch wenn der Kurzschluß
sofort wieder behoben wird, muß zuerst die Erregung der Lichtmaschine abgeklungen
und die Lichtmaschinenspannung auf einen nahe bei Null liegenden Wert abgesunken
sein, bevor der Gleichrichter in seinen Sperrzustand gelangt und den Haupttransistor
26 wieder stromleitend werden läßt. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Haupttransistor
nicht überlastet werden kann. Dies würde nämlich innerhalb kürzester Zeit zu einem
Durchschlag zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter führen, der diese Strecke
dauernd leitend macht. Dies könnte bei einem nur einen
Teil der
Erregerwicklung 16 erfassenden Kurzschluß zu einem starken Anstieg der Lichtmaschinenausgangsspannung
führen und nicht nur eine rasche Zerstörung des Vortransistors 27 und der Zenerdiode
35, sondern auch der Batterie 21 und der Lichtmaschine nach sich ziehen.