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Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für einen Nebenschlußgenerator
mit einem Leistungstransistor, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit der Feldwicklung
des Generators in Reihe geschaltet ist, und einem den Leistungstransistor steuernden
Steuertransistor, dessen Kollektor an einer der Ausgangsleitungen des Generators
und an der Basis des Leistungstransistors liegt und dessen Basis über eine Zenerdiode
mit einem an die Ausgangsleitungen des Generators angeschlossenen Spannungsteiler
und über einen Rückkopplungszweig mit dem Kollektor des Leistungstransistors verbunden
ist.
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Es ist ein Spannungsschnellregler für mit stark wechselnder Drehzahl
und Belastung betriebene Nebenschlußgeneratoren, insbesondere Lichtmaschinen von
Kraftfahrzeugen, bekannt, bei dem ein in den Stromkreis der Generator-Feldwicklung
eingeschalteter Leistungstransistor durch einen Steuertransistor gesteuert wird,
dessen Emitter-Basis-Strecke in der Diagonalen einer an die Generatorspannung angeschlossenen,
wenigstens einen nichtlinearen Widerstand enthaltenden Brücke liegt, wobei als nichtlinearer
Widerstand eine in Durchlaßrichtung betriebene Siliziumdiode verwendet wird. Diese
Diode ist erforderlich, um eine zur Kompensation des Temperaturgangs geeignete Vorspannung
für den Steuertransistor zu erzeugen.
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Es ist ferner ein Spannungsregler für Nebenschlußgeneratoren, insbesondere
für Fahrzeuglichtmaschinen bekannt, der außer einem an der zu regelnden Ausgangsspannung
des Generators liegenden Spannungsteiler und einem an den Spannungsteiler mit seiner
Basis angeschlossenen Steuertransistor noch einen zweiten, auf den Erregerstrom
in der Feldwicklung einwirkenden Transistor enthält, dessen Basiselektrode mit der
über einen Widerstand an eine der beiden Generatorausgangsleitungen angeschlossenen
Kollektorelektrode des Steuertransistors über einen weiteren Widerstand verbunden
ist, und bei dem parallel zu dem weiteren, in der Basiszuleitung des zweiten Transistors
liegenden Widerstand ein Kondensator vorgesehen ist. Dieser Kondensator wird, solange
der zweite Transistor stromleitend ist, auf eine Spannung aufgeladen, die dem vom
Basisstrom des zweiten Transistors an diesem Widerstand erzeugten Spannungsabfall
entspricht, und verschiebt das Basispotential des zweiten Transistors weit in dessen
Sperrbereich, wenn der Steuertransistor bei Überschreiten des Sollwertes stromleitend
wird. Dadurch wird auch bei hohen Umgebungstemperaturen eine Sperrung, d. h. Verringerung
des Leckstromes des Leistungstransistors erzielt.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Spannungsreglers der eingangs
angeführten Gattung, bei dem nur unter Verwendung von Widerständen eine derartige
Verringerung des Leckstromes, insbesondere bei erhöhter Umgebungstemperatur, und
damit der Belastung der Transistoren erreicht wird, so daß unter Gewährleistung
der Betriebssicherheit relativ preiswerte Transistoren verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Basis
des Steuertransistors über einen Widerstand mit einer der Generatorausgangsleitungen
verbunden ist, daß der Emitter des Steuertransistors an einem weiteren Spannungsteiler
liegt, der mit den beiden Ausgangsleitungen verbunden ist, und daß der Spannungsteiler
und der Widerstand derart bemessen sind, daß der Anzapfpunkt des Spannungsteilers
bei gesperrtem Steuertransistor auf niedrigerem Potential als die Basis dieses Steuertransistors
liegt, derart, daß dieser Steuertransistor zur Verringerung seines Leckstromes in
Sperrichtung vorgespannt ist.
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Bei einer vorteilhafter Ausgestaltung dieses Spannungsreglers liegt
in der Emitterzuleitung des Leistungstransistors eine Diode. Diese an sich bekannte
Maßnahme trägt ebenfalls zur Verringerung des Leckstroms bei.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der ein Schaltbild eines Spannungsreglers
gemäß der Erfindung zeigenden Zeichnung beschrieben.
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Das Schaltbild zeigt einen Generator 10 zur Erzeugung der elektrischen
Energie für die elektrischen Verbraucher in einem Motorfahrzeug, der eine Feldwicklung
12 und eine Ausgangswicklung bzw. einen Anker 14 aufweist. Der Generator
10 kann ein Gleichstromgenerator oder ein Wechselstromgenerator sein. dem
Gleichrichter, beispielsweise Dioden, nachgeschaltet sind. .
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Eine Ausgangsklemme des Ankers 14 ist geerdet, und die andere Ausgangsklemme
16 ist mit einer Leitung 18 verbunden. Die Ausgangsgleichspannung tritt unabhängig
von der Art des verwendeten Generators zwischen Klemme 16 und Erde auf. Weist der
Generator einen Kommutator auf, so wird eine Diode 20 zwischen Klemme 16 und die
positive Klemme der Batterie 22 geschaltet. Die negative Klemme der Batterie wird
geerdet.
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Der Spannungsregler besitzt eine Feldklemme 24, die mit der einen
Seite der Feldwicklung 12 des Generators 10 verbunden ist. Weiterhin ist eine positive
Klemme 26 vorgesehen, die über eine Leitung 18 mit der positiven Klemme
16 des Generators 10 verbunden ist. Die negative Klemme 28 des Reglers ist geerdet
und daher mit der negativen Klemme des Generators verbunden.
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Die positive Klemme 26 liegt an einem Verbindungspunkt 30, der wieder
mit einer Leitung 32 verbunden ist, die im wesentlichen das gleiche positive Potential
wie die Klemme 16 hat. Die Feldklemme 24
ist über eine Leitung 34 mit einem
Verbindungspunkt 36 und mit der einen Seite einer Siliziumdiode
38
verbunden. Der Strom durch die Feldwicklung 12 wird durch einen Leistungstransistor
40 (geeigneterweise ein pnp-Transistor) gesteuert, dessen Kollektor mit dem
Verbindungspunkt 36 und dessen Emitter mit der einen Seite einer Halbleiterdiode
42, geeigneterweise einer Siliziumdiode, verbunden ist. Die positive Seite der Diode
liegt an dem Verbindungspunkt 30.
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Der Spannungsregler besitzt einen Steuertransistor (geeigneterweise
ein pnp-Transistor), dessen Emitter an den Anzapfpunkt 46 angeschaltet ist. Zwischen
Anzapfpunkt 46 und Leitung 32 ist ein Widerstand 48 geschaltet. Ein zweiter Widerstand
50 verbindet den Punkt 46 mit der negativen Leitung 52 am Punkt 54, während eine
Diode 38 zwischen den Punkten 54 und 36 liegt. Der Kollektor des Transistors 44
ist mit einem Punkt 56 verbunden. Dieser Punkt liegt über einen Widerstand 58 an
der negativen Leitung 52. Eine Leitung 60 verbindet Punkt 56 mit der Basis des Transistors
40, wodurch die Basis des Transistors 40
mit dem Kollektor des Transistors
44 verbunden ist.
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Die Basis des Transistors 44 ist mit einem Punkt 62 verbunden, der
über einen Widerstand 64 mit der positiven Leitung 32 verbunden ist. Eine Zenerdiode
66 liegt zwischen Schaltpunkt 62 und Schaltpunkt 68,
wobei der letztere
mit einer einstellbaren Anzapfung 70 eines Potentiometers 72 verbunden ist und ein
Widerstand 74 die eine Seite des Potentiometers mit dem positiven Leiter 32 und
ein weiterer Widerstand 76 die andere Seite des Potentiometers 72 mit Schaltpunkt
28 verbindet. Die Widerstände 74, 72 und 76 bilden ein Spannungsteilernetzwerk,
das an die positiven und negativen Leitungen 32 und 52 angeschaltet ist.
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Ein Rückkopplungskondensator 78 ist zwischen Schaltpunkt 68 und Schaltpunkt
80 geschaltet, und ein Kondensator 82 liegt zwischen Schaltpunkt 68 und dem negativen
Leiter 52.
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Eine Diode 84, geeigneterweise eine Siliziumdiode, ist zwischen Schaltpunkt
30 und Erde geschaltet, um die Transistoren vor Überspannungen zu schützen.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise des beschriebenen Reglers erläutert.
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Der durch die Feldwicklung 12 fließende Strom ist abhängig von der
Leitfähigkeit der Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors 40.
Der Stromkreis dieser Strecke verläuft von der positiven Klemme 16 über Leitung
18, Klemme 26, Schaltpunkt 30, Siliziumdiode 42, Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
40, Schaltpunkt 36, Leitung 34 und Feldwicklung 12 zur negativen Klemme des Generators
10.
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Die Leitfähigkeit des Leistungstransistors 40 wird durch die
Leitfähigkeit des Steuertransistors 44 bestimmt. Ist der Transistor 44 vollständig
leitend, so hat der Schaltpunkt 56 ein positives Potential, wodurch die Basis des
Transistors 40 positiv wird und so die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
40
vollständig gesperrt wird. Außerdem erzeugt jeder Leckstrom, der durch
die Diode 42 fließt, einen Spannungsabfall, der den Emitter des Transistors
40 in Richtung negativen Potentials verschiebt. Dies trägt dazu bei, den
gesperrten Zustand des Transistors 40 aufrechtzuerhalten, da ein durch die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 40 fließender Leckstrom an der Diode 42 einen Spannungsabfall erzeugt,
der den Transistor 40 so vorspannt, daß er vollständig gesperrt bleibt.
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Ist der Transistor 44 im wesentlichen gesperrt, so liegt der Schaltpunkt
56 auf im wesentlichen gleichem Potential wie die negative Leitung 52 und steuert
dabei die Basis des Transistors 40 negativ an, wodurch die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 40 vollständig leitend wird, so daß der volle Strom durch die Feldwicklung
12 fließt. Die Arbeitsweise ist dabei derart, daß der Transistor 40 ständig in seinen
leitenden oder in seinen gesperrten Zustand geschaltet wird und niemals in einem
anderen Betriebszustand als entweder vollständig leitend oder vollständig gesperrt
betrieben wird.
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Die Leitfähigkeit des Transistors 44 wird durch den Betrag der Spannung
zwischen der Anzapfung 70 und der negativen Leitung 52 bestimmt. Diese Spannung
ist der Ausgangsspannung des Generators 10 proportional, da das aus den Widerständen
74, 72 und 76 bestehende Spannungsteilernetzwerk direkt zwischen den Leitungen 32
und 52 liegt.
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Liegt die Ausgangsspannung des Generators 10
oberhalb des gewünschten
Regelwertes, so wird die Zenerdiode 66 in Sperrichtung durchlässig. Dies ermöglicht
einen Stromfluß von der positiven Leitung 32 über Widerstand 48, Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 44, die obere Hälfte des Potentiometerwiderstandes 72 und Widerstand
76 nach Erde. Dadurch wird die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 44 vollständig
leitend und veranlaßt eine Sperrung des Transistors 40.
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Ist der Leistungstransistor 40 gesperrt, so fällt die Ausgangsspannung
des Generators 10 ab und erreicht einen Punkt, bei dem der Steuertransistor
44 so vorgespannt wird, daß er sperrt. Dadurch wird der Transistor 40 wieder
leitend. In dieser Weise folgen die Ein- und Ausschaltvorgänge des Reglers aufeinander.
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Die Widerstände 48 und 50 haben die Funktion, eine Sperrspannung für
den Transistor 44 zu erzeugen, wenn dieser in seinem gesperrten Zustand ist. Es
fließt dabei ein Strom von der Leitung 32 über Widerstand 48, Schaltung 46 und Widerstand
50 zur negativen Leitung 52. Der Spannungsabfall am Widerstand 48 bewirkt, daß der
Schaltpunkt 46 in bezug auf die positive Leitung 32 negativ wirkt. Darüber hinaus
bewirkt jeder Leckstrom, der durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
44 und durch Widerstand 48 fließt, daß der Schaltpunkt 46 stärker negativ wird und
daher dazu beiträgt, den Transistor 44 gesperrt zu halten. Da dieser Leckstrom bei
einer Zunahme der Temperatur, bei der der Transistor 44 betrieben wird, ansteigt,
bewirkt die Schaltung eine Temperaturkompensation.
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Die Widerstände 48 und 64 sind so bemessen, daß bei gesperrtem Steuertransistor
44 die an diesen Widerständen auftretenden Spannungsabfälle den Schaltpunkt 46 gegenüber
dem Schaltpunkt 62 negativ machen. Der Spannungsabfall am Widerstand 64 ist eine
Folge eines geringen Stromes, der in umgekehrter Richtung durch die Zenerdiode 66
fließt, wenn diese Diode in Umkehrrichtung leitend ist. Dies tritt natürlich nur
auf, wenn die Spannung zwischen Anzapfung 70 und Leitung 32 ausreichend groß ist,
um den Durchbruch der Zenerdiode 66 zu bewirken.
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Der Kondensator 78 dient der Rückkopplung, die die Steuerung des Transistors
40 in seinen leitenden oder gesperrten Zustand unterstützt, nachdem dieser
Transistor einmal in einen dieser Zustände gesteuert wurde. Dieser Kondensator trägt
daher dazu bei, sicherzustellen, daß der Transistor 40 entweder in seinem leitenden
oder in seinem gesperrten Zustand betrieben wird. Die Diode 38 dient zur Unterdrückung
von Überspannungen und ist zur Feldwicklung 12
parallel geschaltet. Die Diode
84 dient ebenfalls der Überspannungsunterdrückung und schützt die Transistoren
40 und 44 gegen Überspannungen, die in den Verbrauchern zwischen Schaltpunkt
30 und Erde entstehen können.
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Die Widerstände 48, 50 und 64 kompensieren den Leckstrom des Transistors
44 und gewährleisten, daß dieser Transistor bei bestimmten Betriebsbedingungen vollständig
sperrt, auch wenn die Temperatur, bei der der mit Transistoren bestückte Spannungsregler
betrieben wird, bis zu einem Punkt ansteigt, bei dem ein Emitter-Kollektor-Leckstrom
auftritt.