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Schutzeinrichtung für den Haupttransistor eines Spannungsreglers für
mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare Stromerzeuger, insbesondere von Fahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler für einen mit stark wechselnden
Drehzahlen antreibbaren, selbsterregten Generator, dessen Erregerwicklung mit einem
zum Regler gehörenden Haupttransistor und einem Emitterwiderstand in Reihe geschaltet
ist, der außerdem einen Vortransistor zur Steuerung des Haupttransistors in Abhängigkeit
von der Höhe der Generatorausgangsspannung enthält.
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Bei bekannten Reglern dieser Art besteht die Gefahr, daß innerhalb
der Erregerwicklung ein Kurzschluß auftritt, der den Gleichstromwiderstand der Erregerwicklung
so stark verringert, daß der mit der Erregerwicklung in Reihe liegende Haupttransistor
überlastet und zerstört wird. Es hat sich gezeigt, daß bereits Kurzschlüsse; die
nur Bruchteile von Sekunden andauern, zu einem Durchschlag im Haupttransistor führen
können.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Spannungsreglern, die einen
Haupttransistor vom npn-Typ enthalten, zum Schutz gegen derartige überlastungen
einen steuerbaren Halbleitergleichrichter vorzusehen, der beim Auftreten eines Kurzschlusses
in der Erregerwicklung die Emitter-Basis-Strecke des Haupttransistors kurzschließt
und somit den Transistor sperrt. Zu diesem Zweck ist in der Emitterzuleitung des
Haupttransistors ein Vorwiderstand vorgesehen, der die an diesem Widerstand entstehende
Spannung der Steuerelektrode des Halbleitergleichrichters zuführt, der mit seiner
Anoden-Kathoden-Strecke in einer Verbindungsleitung vom basisseitigen Ende des Basiswiderstandes
zu dem nicht mit dem Emitter verbundenen Ende des Vorwiderstandes liegt.
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In der Regeltechnik werden heute vorzugsweise Leistungstransistoren
vom pnp-Typ verwendet. Für einen Spannungsregler der oben beschriebenen Art mit
einem pnp-Haupttransistor kann die vorgeschlagene Schutzanordnung jedoch nicht verwendet
werden, da bei Umpolung des gesteuerten Gleichrichters die Steuerspannung am Emitterwiderstand
falsche Polarität besitzt.
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Dagegen erhält man einen Spannungsregler mit einer Schutzanordnung,
die auch bei Verwendung von pnp-Haupttransistoren wirksam ist, wenn gemäß der Erfindung
ein steuerbarer Haltleitergleichrichter vorgesehen ist, dessen Anoden-Kathoden-Strecke
der Emitter-Basis-Strecke des Haupttransistors parallel geschaltet ist und die Steuerelektrode
des Halbleitergleichrichters an das dem Emitter abgewandte Ende des Emitterwiderstandes
angeschlossen ist. Der Ansprechwert der Schutzanordnung kann besonders einfach eingestellt
werden, wenn die Anode oder die Steuerelektrode des Halbleitergleichrichters an
den Abgriff eines dem Emitterwiderstand parallelgeschalteten Potentiometers angeschlossen
ist.
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Selbstverständlich kann auch der Emitterwiderstand selbst hierfür
als Potentiometer ausgebildet sein.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Schutzanordnung
des Spannungsreglers auch derart gestaltet sein, daß die Anode des steuerbaren Gleichrichters
an das dem Emitter abgewandte Ende des Emitterwiderstandes und die Steuerelektrode
an den Abgriff des dem Emitterwiderstand parallel geschalteten Potentiometers angeschlossen
sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand dreier
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 und 4 zeigen Ausschnitte aus den elektrischen
Schaltbildern zweier abgewandelter Regler. Die Lichtmaschine der Lichtanlage nach
F i g. 1 enthält in ihrem Gehäuse 10 auf einer über eine Keilriemenscheibe 11 antreibbaren
Ankerwelle 12
einen in F i g. 2 bei 13 angedeuteten Gleichstromanker
und eine im Gehäuse befestigte Erregerwicklung 14, die mit einem ihrer beiden
Wicklungsenden mit der Minusbürste 17 der Lichtmaschine und einer an diese
angeschlossenen Minusleitung 18 verbunden ist. An der Minusbürste
17 ist ferner der Minuspol einer Sammlerbatterie 19 angeschlossen, deren
Plusklemme über einen in dieser Richtung stromdurchlässigen Gleichrichter
20 Ladestrom zur Versorgung nicht dargestellter Verbraucher zugeführt werden
kann, wenn die Ausgangsspannung der Lichtmaschine zwischen den Leitungen 16 und
18 auf Werte oberhalb von 110 V ansteigt.
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Damit diese Ausgangsspannung bei sehr hoher. Antriebsdrehzahlen der
Lichtmaschine nicht über den genannten Sollwert hinaus anwachsen kann, ist ein elektronischer
Spannungsregler 21 vorgesehen, der auf dem Lichtmaschinengehäuse 10 sitzt
und die in F i g. 2 mit unterbrochenen Linien umrahmte Schaltungsanordnung enthält.
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Im einzelnen weist der Spannungsregler 21 einen mit seinem
Kollektor an das freie Wicklungsende der Erregerwicklung 14 angeschlossenen
Haupttransistor 22 vom pnp-Typ und außerdem einen Vortransistor 23 auf, der
dazu bestimmt ist, den Haupttransistor 22 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 22 stromleitend ist und
die Lichtmaschine sich selbst erregen kann, sind zwischen der Minusleitung 18 und
der Basis des Haupttransistors 22 ein Widerstand 24 von 160 Ohm, ein
Widerstand 25 von 40 Ohm und ein für den von der Basis des Haupttransistors
zur Minusleitung 18
fließenden Strom durchlässiger Gleichrichter 26 vorgesehen.
An den Verbindungspunkt der beiden Widerstände 24 und 25 ist der Kollektor
des Vortransistors 23 angeschlossen. Zwischen der Basis des Haupttransistors
22 und dem Kollektor des Vortransistors 23 liegt ein Kondensator
27 von etwa 0,1 @F. Am Abgriff 28 eines zwischen der Minusleitung
18 und der Plusleitung 16 liegenden Potentiometers 29 ist mit
einer ihrer beiden Elektroden eine Zenerdiode 30 angeschlossen, die mit ihrer anderen
Elektrode an die Basis des Vortransistors 23 und an einen mit der Plusleitung 16
verbundenen Widerstand 31 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 16 und 18 ihren Sollwert
von 110 V überschreitet. Dann kann vom Abgriff 28 über die Zenerdiode zur Basis
des Vortransistors 23 und von dort zu dem mit der Plusleitung 16 verbundenen Emitter
des Vortransistors 23 ein Steuerstrom fließen, der die Emitter-Kollektor-Strecke
dieses Transistors stromleitend macht und den Haupttransistor 22 in der weiter unten
näher beschriebe- i nen Weise sperrt.
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Solange der Sollwert der Ausgangsspannung nicht erreicht wird, bleibt
der Vortransistor 23 gesperrt und der Haupttransistor 22 voll stromleitend. Dann
erzeugt der über den Widerstand 25 fließende Basis- i strom des Haupttransistors
an diesem Widerstand einen Spannungsabfall von etwa 20 V. Die mit dem Kollektor
des Vortransistors 23 verbundene Elektrode des Kondensators 27 kann sich
dann 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 30 stromleitend.
Sein über den Widerstand 24 fließender Kollektorstrom erzeugt einen Spannungsabfall
von etwa 100 V, zu dem sich das dann vorhandene Potential des Kondensators 27 addiert
und das Potential der Basis des Leistungstransistors 22 auf einen Wert absenkt,
der um etwa 10 V niedriger als das Potential der Plusleitung 16 ist. Hierdurch
wird der Haupttransistor 22 vollkommen gesperrt und der seither über die Erregerwicklung
14 fließende Erregerstrom unterbrochen. Die im Abschaltaugenblick entstehende induktive
Spannungsspitze wird durch einen von der Minusleitung 18 zum Kollektor des Haupttransistors
führenden, in dieser Richtung stromdurchlässigen Gleichrichter 32 zum großen Teil
abgefangen und über einen Widerstand 33 und einen mit diesem in Reihe liegenden
Kondensator 34 so auf die Basis des Vortransistors 23 gegeben, daß dieser
für eine durch die Ladezeitkonstante des Kondensators 34 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 30 fließende Steuerstrom des Transistors 23 nicht mehr aufrechterhalten
werden kann und der Transistor daher in seinen Sperrzustand zurückkehrt. Der Haupttransistor
22 kann dann in seinen ursprünglichen leitenden Zustand zurückgelangen und so lange
einen über die Erregerwicklung 14 fließenden Erregerstrom führen, bis die
Sollspannung wieder erreicht wird und das beschriebene Reglerspiel von neuem beginnt.
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Um den Haupttransistor 22 davor zu schützen, daß bei einem in der
Feldwicklung 14 auftretenden Kurzschluß die volle oder ein großer Teil der
zwischen den Ausgangsleitungen 16 und 18 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 22 zur Plusleitung 16 liegenden
Vorwiderstand 35 und einen steuerbaren Halbleitergleichrichter 36, dessen
Anoden-Kathoden-Strecke der Emitter-Basis-Strecke des Haupttransistors 22 parallel
geschaltet ist. Die bei 37 angedeutete Steuerelektrode des Halbleitergleichrichters
36 ist mit der Plusleitung 16 verbunden und macht den Gleichrichter stromleitend,
sobald zwischen der Basis des Haupttransistors 22 und der Plusleitung 16 ein Spannungsabfall
von mehr als 3 V auftritt. Diese Zündspannung des Halbleitergleichrichters 36 wird
dann erreicht, wenn der Emitterstrom des Haupttransistors 22 seinen für zulässig
angesehenen Höchstwert von 1,5 Amp. überschreitet. Der stromleitend gewordene Halbleitergleichrichter
36 stellt dann einen niederohmigen Kurzschluß zur Emitter-Basis-Strecke des Haupttransistors
22 dar, so daß dieser auch dann augenblicklich in seinen Sperrzustand übergeführt
wird, 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 36 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 14 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
35 fließenden Erregerstromes erreicht wird, gelangt der Halbleitergleichrichter
36 erneut in stromleitenden Zustand und sperrt den Haupttransistor 22 in der vorher
beschriebenen Weise.
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Die in F i g. 3 und 4 in Schaltbilderausschnitten dargestellten Regler
können wie der Regler 21 nach F i g. 2 in Lichtanlagen für Fahrzeuge verwendet
werden. Soweit sie gleiche oder gleichwirkende Bauteile wie der Regler nach F i
g. 2 enthalten, sind diese mit den dort verwendeten Bezugszeichen versehen.
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Abweichend vom vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei dem
Regler nach F i g. 3 die Steuerelektrode 37 des Halbleitergleichrichters 36 nicht
mit der Plusleitung 16, sondern mit dem Abgriff 40 eines zum Emitterwiderstand 35
parallelgeschalteten Potentiometers 41 verbunden. Dadurch ist eine bequeme Abstimmung
der Zündspannung des Halbleitergleichrichters 36 auf den für zulässig angesehenen
Höchstwert des Emitterstromes von 1,5 Amp. möglich. Die Schutzanordnung wird dann
wirksam, wenn die Spannung zwischen der Basis des Transistors 43 und dem
Potentiometerabgriff 40 infolge des überhöhten Erregerstromes die Zündspannung
des Halbleitergleichrichters 36 erreicht. Die Funktionsweise der Schutzanordnung
entspricht vollkommen derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.
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Die Restspannung am gezündeten Gleichrichter 36 im leitenden Zustand
muß stets kleiner als die Schwellwertspannung der Emitter-Basis-Strecke des Haupttransistors
sein, wenn eine vollkommene Sperrung des Haupttransistors gewährleistet sein soll.
Um dies sicherzustellen, ist in Weiterbildung der Erfindung der Haupttransistor
22 des Reglers 21 nach F i g. 2 bei den Reglern nach F i g. 3 und 4 durch einen
sogenannten Verbundtransistor ersetzt, der aus zwei Transistoren 42 und
43 gleichen Leitungstyps besteht. Die Kollektoren beider Transistoren 42
und 43 sind miteinander verbunden, während ihre Emitter-Basis-Strecken in Reihe
geschaltet sind. Infolgedessen addieren sich ihre Schwellwertspannungen, und diese
Summe ist mit Sicherheit größer als der Restspannungsabfall am leitenden Gleichrichter
36.
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Um zu erreichen, daß beide Transistoren 42 und 43 gleichzeitig in
ihren Sperrzustand übergeführt werden, wenn die Basis des Transistors 43 an ein
gegenüber dem Emitter des Transistors 42 positives Potential gelegt wird, ist die
Basis-Emitter-Strecke des Transistors 43 durch eine in dieser Richtung stromleitende
Diode 44 überbrückt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist die Anode des Halbleitergleichrichters
36 im Gegensatz zu dem Beispiel nach F i g. 3 nicht mit dem Emitter des Transistors
42, sondern mit dem dem Emitter abgewandten Ende der Widerstände
35 und 41 verbunden. Die für die Zündung des Halbleitergleichrichters
36 maßgebliche Spannung wird auch hier - wie im zweiten Ausführungsbeispiel - zwischen
der Basis des Transistors 43 und dem Potentiometerabgriff 40 abgenommen.