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Spannungsregler für mit stark veränderlichen Drehzahlen antreibbare
Lichtmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler für im Nebenschluß
erregte, mit stark veränderlichen Drehzahlen antreibbare Lichtmaschinen, insbesondere
Fahrzeuglichtmaschinen, mit mindestens einem zur Feldwicklung der Maschine in Reihe
geschalteten Leistungstransistor, der in einer von der jeweiligen Höhe der Lichtmaschinenausgangsspannung
oder einer zu dieser proportionalen Spannung abhängigen Folge abwechslungsweise
aus seinem stromleitenden Betriebszustand in einen Sperrzustand gesteuert wird und
der mit der Feldwicklung über eine überstromsicherung verbunden ist, die auf während
des intermittierenden Betriebs auftretende Stromwerte nicht anspricht.
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Bei bekannten Reglern dieser Art besteht die Gefahr, daß der Leistungstransistor
z. B. durch induktive Spannungsspitzen durchschlägt und dann nicht mehr gesperrt
werden kann. Durch den nunmehr ständig fließenden Feldstrom steigt die Spannung
der Lichtmaschine stark an. Durch diese unzulässig hohe Spannung können erhebliche
Folgeschäden auftreten, z. B. an angeschlossenen elektronischen Geräten oder durch
Überladung und Auskochen der Fahrzeugbatterie.
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Aus der französischen Patentschrift 1288 254 ist es bekannt, zwischen
den Leistungstransistor eines Spannungsreglers und die Feldwicklung einer Erregermaschine
eine Sicherung zu schalten. Die Erregermaschine speist das Feld eines Drehstromgenerators.
Eine solche Anordnung ist nicht dazu geeignet, eine Fahrzeuglichtmaschine vor Überspannungen
zu schützen, da die Stromwerte, die beim Durchschlagen des Leistungstransistors
auftreten, nicht wesentlich größer sind als die Stromwerte, die beim Anfahren der
Lichtmaschine aus dem unerregten Zustand auftreten. Es wäre also bei einer Fahrzeuglichtmaschine
nicht in allen Fällen gewährleistet, daß die Sicherung durchbrennt und den Erregerstrom
unterbricht.
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Ferner ist es aus der deutschen Auslegeschrift 1050 912 bekannt, parallel
zur Kollektor-Emitter-oder zur Kollektor-Basis-Strecke eines Leistungstransistors
einen nichtlinearen Widerstand zu schalten, der oberhalb einer bestimmten Spannung
stark leitend wird und dadurch einen erhöhten Strom verursacht, der eine Sicherung
im Kollektorkreis des Leistungstransistors durchbrennen läßt. Auslösende Größe ist
hier also eine unzulässig hohe Spannung am Leistungstransistor, während im vorliegenden
Fall, wenn der Leistungstransistor bereits durchgeschlagen ist, die Spannung an
ihm sehr klein ist. Außerdem würde bei Übertragung auf einen Spannungsregler der
überhöhte Strom für die Auslösung der Sicherung auch die Feldwicklung durchfließen
und eine besonders hohe Ausgangsspannung der Lichtmaschine hervorrufen, die für
angeschlossene elektronische Geräte, z. B. eine Taxi-Funkanlage, besonders gefährlich
sein würde.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen,
die ein zuverlässiges Durchbrennen der Schmelzsicherung bewirkt, wenn der Leistungstransistor
im Spannungsregler einer Lichtmaschine durchgeschlagen ist; Überspannungen sollen
dabei möglichst vermieden werden.
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Nach der Erfindung wird dies bei einem eingangs genannten Spannungsregler
dadurch erreicht, daß ein steuerbarer Gleichrichter mit einer seiner beiden Hauptelektroden
an den Verbindungspunkt von Feldwicklung und Sicherung und mit seiner anderen Hauptelektrode
an das andere Ende der Feldwicklung angeschlossen ist und daß ferner die Steuerelektrode
des Gleichrichters mit dem Abgriff eines über der Ausgangsspannung liegenden Spannungsteilers
verbunden ist.
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Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben und erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Drehstromlichtanlage in
einem Übersichtsbild, F i g. 2 das elektrische Schaltbild der Lichtanlage nach F
i g. 1, F i g. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel ausschnittsweise in seinem
Schaltbild, F i g. 4 ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel, ebenfalls ausschnittsweise
in seinem Schaltbild.
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Die Lichtanlage ist zum Betrieb auf einem nicht wiedergegebenen Kraftfahrzeug
bestimmt und enthält einen Drehstromgenerator 10, der drei feststehende Wechselstromwicklungen
11, 12 und 13 enthält. Der
im übrigen nicht näher dargestellte Anker
des Generators wird über eine auf der Ankerwelle 14 sitzende Keilriemenscheibe
15 während des Fahrbetriebes mit stark wechselnden Drehzahlen angetrieben und trägt
eine umlaufende Feldwicklung 16. Zur Erzeugung eines mit dem Anker umlaufenden und
die Drehstromwicklungen 11, 12 und 13 induzierenden magnetischen Gleichfeldes ist
die Feldwicklung 16 mit einem ihrer Wicklungsenden an eine gemeinsame, zu einer
Sammlerbatterie 17 führende Minusleitung 18 angeschlossen. An dieser liegen außerdem
die Zuleitungselektroden von drei für den Laststrom des Generators bemessenen Gleichrichtern
19, die an ihren Ableitungselektroden mit je einer der Drehstromwicklungen 11, 12,
13 verbunden sind. Von dort führen drei Gleichrichter 20 zum Pluspol der
Batterie 17, an welche nicht dargestellte, beim Betrieb des Kraftfahrzeugs erforderliche
Verbraucher angeschlossen werden können. Die Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13
sind außerdem mit drei zu einer gemeinsamen Plusleitung 21 führenden Gleichrichtern
22 verbunden, die dazu bestimmt sind, den Erregerstrom Je für die Feldwicklungen
16 und außerdem eine Ausgangsspannung U" zwischen der Minusleitung 18 und
der Plusleitung 21 zu liefern. Die Spannung U" dient zum Betrieb des nachstehend
beschriebenen Spannungsreglers 26 und ist zu der zwischen der Minusleitung 18 und
den Ableitungselektroden der Gleichrichter 22 auftretenden Spannung an der Laststromseite
des Generators proportional. Die Gleichrichter 19, 20 und 22 sind in einem auf die
der Antriebsscheibe 15 abgekehrte Stirnseite des Generatorgehäuses aufgesetzten
Gleichrichtergehäuse 25 untergebracht.
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Der Spannungsregler 26, dessen Bauteile im Schaltbild nach F i g.
2 mit unterbrochenen Linien umrahmt sind, enthält einen Leistungstransistor 27,
der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur Feldwicklung 16
in Reihe geschaltet
und mit seiner Basis über eine Diode 28 sowie zwei zueinander in Reihe liegende
Widerstände 29 und 30 an die Minusleitung 18 angeschlossen ist. Dem Leistungstransistor
ist ein Steuertransistor 31 vorgeschaltet, dessen Basis mit der Plusleitung 21 über
einen Widerstand 32 verbunden und außerdem an eine in Sperrichtung beanspruchte
Zenerdiode 33 angeschlossen ist. Diese liegt am Abgriff 34 eines über der Ausgangsspannung
U" angeordneten Spannungsteilers 35. Der Kollektor des Transistors 31 ist mit dem
Verbindungspunkt der beiden Widerstände 29 und 30 unmittelbar und mit der Basis
des Leistungstransistors 27 durch einen Koppelkondensator 36 verbunden.
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Um zu vermeiden, daß bei einem Durchschlag im Leistungstransistor
27 sich die Lichtmaschine 10 infolge des dann dauernd fließenden Erregerstromes
Je
weit über ihre Sollspannung hinaus erregt, ist zwischen dem Kollektor des
Leistungstransistors 27 und der Feldwicklung 16 eine Schmelzsicherung
40 vorgesehen. Diese ist so bemessen, daß sie auf die bei ungestörtem Betrieb
der Lichtmaschine auftretenden Höchstwerte des Erregerstromes nicht anzusprechen
vermag. Damit die Schmelzsicherung bei der genannten Störung durchbrennt und den
Erregerstrom Je bis zur Behebung eines eingetretenen Fehlers unterbrechen kann,
ist erfindungsgemäß parallel zur Feldwicklung 16 ein steuerbarer Gleichrichter 41
vorgesehen. Dieser liegt mit einer seiner beiden Hauptelektroden am Verbindungspunkt
der Feldwicklung 16 und der Schmelzsicherung 40 und mit seiner anderen Hauptelektrode
an der Minusleitung 18. Der steuerbare Gleichrichter 41 soll erst
dann stromleitend werden, wenn die Ausgangsspannung U" der Lichtmaschine über die
bei ungestörtem Betrieb einzuhaltende Sollspannung von 28 V hinaus auf einen für
Verbraucher gerade noch zulässigen Höchstwert von 31 V ansteigt.
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Hierzu ist zwischen dem Abgriff 42 eines aus einem Potentiometer
43 und einem Widerstand 44 bestehenden, ebenfalls über der Ausgangsspannung
U" angeordneten Spannungsteilers eine zweite Zenerdiode 45
vorgesehen, die
mit ihrer anderen Elektrode an die Steuerelektrode 46 des Gleichrichters
41 angeschlossen und außerdem mit einem Widerstand 47 verbunden ist, der
an der Minusleitung 18 liegt. Zwischen dem Abgriff 42 und der Minusleitung 18 ist
außerdem ein Kondensator 48 von etwa 1 J vorgesehen.
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Wenn während des Betriebes der Lichtmaschine, beispielsweise beim
Abschalten von stark induktiven Verbrauchern, Störwellen von der Laststromseite
auf die Reglerseite der Lichtmaschine gelangen, können sie den Gleichrichter 41
nicht stromleitend machen, da sie vom Kondensator 48 absorbiert werden. Nur wenn
die Störspannung länger als etwa 0,1 msec andauert, wird der Gleichrichter
41 eingeschaltet.
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Bei dem vereinfachten Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 sind gleiche
oder gleichwirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 2 versehen.
Um die in F i g. 2 verwendete Zenerdiode 45 einzusparen, ist die Steuerelektrode
46 des Gleichrichters 41 unmittelbar an den Kondensator 48 und an den Abgriff
42 des Potentiometers 43 angeschlossen. Das Potentiometer 43 ist so eingestellt,
daß die Spannung zwischen der Minusleitung 18 und der Plusleitung 21 um etwa 10'%
über den vom Regler einzuhaltenden Sollwert hinaus ansteigen muß, bevor der Gleichrichter
41 stromleitend werden und dann die Feldwicklung 16 samt der zu dieser parallelgeschalteten
Ausgleichsdiode 37 kurzschließen kann, wobei dann die Sicherung 40 durchbrennt
und durch Entregung der Lichtmaschine Folgeschäden in deren Verbraucherkreis verhindert.
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Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist dem steuerbaren Gleichrichter
41 eine Verzögerungsstufe vorgeschaltet. Diese enthält einen zusätzlichen
Transistor 50, dessen Emitter-Kollektor-Strecke zusammen mit zwei Widerständen 51
und 52 in Reihe geschaltet ist und einen Spannungsteiler zwischen den beiden Leitungen
18 und 21 bildet, wenn der Transistor 50 leitend wird. An den Verbindungspunkt der
beiden Widerstände 51 und 52 ist die Steuerelektrode 46 des Gleichrichters 41 angeschlossen,
dessen Hauptelektroden zusammen mit einem Schutzwiderstand 53 zur Feldwicklung 16
parallel geschaltet sind, wobei der Widerstand 53 zusammen mit der Feldwicklung
16 an der Sicherung 40 liegt. Vom Kollektor des Transistors 50 führt ein Kondensator
54 zur Basis dieses Transistors, die über eine in Sperrichtung beanspruchte Zenerdiode
55 mit dem Abgriff 56 eines Potentiometers 57 verbunden ist. Von dieser Basis führt
außerdem ein Widerstand 58 zu einer gemeinsamen, an die Plusleitung 21 angeschlossenen
Verbindungsleitung 59, an welche auch das Potentiometer 57 angeschlossen ist. Wenn
die Ausgangsspannung U" zwischen der Minusleitung 18 und der Plusleitung 21 um 10'%
über dem Sollwert des Reglers hinaus auf 31 V ansteigt, wird die Zenerdiode 55 stromleitend.
Dann muß sich zunächst der Kondensator
54 entladen. Erst dann kann
der Transistor 50 stromleitend werden und gleichzeitig den steuerbaren Gleichrichter
41 einschalten. Infolge der Verwendung des Transistors 50 und der Anordnung des
Kondensators 54 in dessen Kollektor-Basis-Kreis kann man mit verhältnismäßig kleinen
Kapazitätswerten von mindestens 0,5 J, vorzugsweise etwa 10 uF, des Kondensators
54 eine Verzögerungszeit von etwa 0,1 bis 0,2 Sekunden erreichen, welche sicherstellt,
daß kurzzeitig auftretende Störspannungen den Gleichrichter 41 nicht einzuschalten
vermögen und die Sicherung 40 daher nur dann ausgelöst wird, wenn eine Überspannung
über eine größere als die genannte Zeitspanne auftritt. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 4 bildet der Transistor 50 in stromleitendem Zustand zusammen
mit den Widerständen 51 und 52 einen über der Ausgangsspannung liegenden Spannungsteiler,
durch welchen jedoch nur dann Strom fließen kann, wenn die Ausgangsspannung für
längere Zeit über dem Ansprechwert von 31 V liegt.
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Wie bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 2 und 3 kann man parallel
zur Steuerstrecke des Gleichrichters 41 einen in F i g. 4 mit unterbrochenen Linien
angedeuteten Kondensator 48 vorsehen, der den Gleichrichter bei auftretenden, insbesondere
hochfrequenten Störwellen gegen unerwünschtes Einschalten schützt.