DE1513126A1

DE1513126A1 - Spannungsregler

Info

Publication number: DE1513126A1
Application number: DE19651513126
Authority: DE
Inventors: Jacques Mosier
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1964-05-04
Filing date: 1965-04-21
Publication date: 1969-02-13
Also published as: US3350626A; DE1513126B2; DE1513126C3; GB1040673A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler, speziell auf einen elektronischen Spannungsregler zur Verwendung im Generatorstromkreis

eines Kraftfahrzeugs. ^

Für Spannungsregler im Generatorstromkreis eines Kraftfahrzeugs ist es ->* ▼on ausschlaggebender Bedeutung, daß ihre Herstellung bei möglichst J₃ geringen Kosten mit einem Maximum an Qualität und Zuverlässigkeit er- ⁰^

folgt. Es ist bekannt, daß elektronische Spannungsregler besonders zu- ο

co _Λ verlässig sind, weil sich darin keine beweglichen Teile wie in elektro- I

mechanischen Reglern befinden. Die Kosten für einige bekannte AusfUhrungsformen von elektronischen Reglern liegen Jedoch höher, als für die Anwendung in Kraftfahrzeugen wünschenswert.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen sehr zuverlässigen und preiswerten statischen oder mit Halbleiterelementen versehenen Spannungsregler zur Regelung der Ausgangsspannung eines Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerators. Dieser Spannungsregler umfaßt einen gesteuerten Gleichrichter (Halbleiter-Thyratron), vorzugsweise aus einem Silizium-Halbleiterelement, der mit der Erregerwicklung des Wechselstromgenerators in einem Stromkreis liegt und dort die Feldstärke regelt. Es sind Mittel vorgesehen, die periodisch eine Spannung auf den Ausgangskreis des gesteuerten Gleichrichters

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geben und diesen leitfähig machen, vorausgesetzt, daß das passende Signal auf die Steuerelektrode aufgegeben wird. Diese Spannung wird periodisch als einweggleichgerichtete Spannung angelegt, die aus den Ankerwicklungen des Wechselstromgenerators stammt. Eine Kippschwingschaltung, vorzugsweise in der Form eines Transistorkreises, ist zur periodischen Anlegung der passenden Spannung auf die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters vorgesehen, und zwar während der Zeit, in der die am Ausgangskreis angelegte Spannung den richtigen Betrag und die richtige Polarität hat.

Eine Zener-Diode, die mit dem Eingangskreis der Kippschwingschaltung oder des Transistorkreises verbunden ist, spricht auf die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators an. Wenn diese Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, hört die Stromleitung der Kippschwingschaltung auf. Somit wird auch keine Steuerspannung mehr auf die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters gegeben. Das bewirkt, daß der gesteuerte Gleichrichter aufhört zu leiten, und das wiederum hat zur Folge, daß die Felderregung im Generator reduziert wird. Sinkt die Ausgangsspannung unter den gewünschten Wert ab, beginnt die Kippschwingschaltung oder der Transistorkreis wieder zu schwingen, versorgt die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters mit der passenden Steuerspannung und läßt ihn leitfähig werden. Somit wird die Energiezufuhr zur Generator-Erregerwicklung wieder erhöht.

Ein Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines zuverlässigen und preiswerten elektronischen Spannungsreglers. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines Spannungsreglers mit Halblelterelementen, der aus billigen Einzelteilen besteht und zuverlässig in seiner Funktion ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung;

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Pig. 2 das Schaltbild einer anderen Ausführung der erfindungsgeaäßen Schaltung.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Fig. 1 zeigt einen elektrischen Generator in der Ausführung als Wechselstromgenerator Io mit Ankerwicklungen 11, 12 und 13, die mit einem Zweiweggleichrichter verbunden sind. Der Zweiweggleichrichter 14 wird aus den Dioden 15, 16, 17, 18, 19 und 2o gebildet. Eine Leitung 21 verbindet die Dioden 15 und 18, eine Leitung 22 die Dioden 16 und 19 und eine Leitung 23 die Dioden 17 ä und 2o. Eine Leitung 24 verbindet die Ankerwicklung 11 mit der Leitung 23, eine Leitung 25 die Ankerwicklung 12 mit der Leitung 22, und eine Leitung 26 die Ankerwicklung 13 Bit der Leitung 21.

Der Zweiweggleichrichter 14 hat einen positiven Anschluß 31# der mit den entsprechenden Enden der Dioden 15, l6, und 17 verbunden ist und über die Leitung 34 eine Verbindung an\t der positiven Klemme 32 des Akkumulators 33 besitzt. Der negative Anschluß 35 des Zweiweggleichrichters 14 ist mit den entsprechenden Enden der Dioden 18, 19 und 2o und mit der negativen Klemme des Akkumulators 33 über eine Leitung 37 verbunden. Der negative Anschluß 35 des Zweiweggleichrichters 14 und die negative Klemme 36 des Akkumulators 33 liegen über eine Leitung 38 a*¹ Masse.

Ein Ende der Erregerwicklung 4l des Wechselstromgenerators Io ist mit dem positiven Anschluß 31 des Zweiweggleichrichters 14 und der positiven Klemme des Akkumulators 33 über eine Leitung 42, einen Widerstand 43, eine Leitung und eine Leitung 4o verbunden. Das andere Ende der Erregerwicklung 4l ist über eine Leitung 47 und eine Leitung 48 mit einer Ausgangsklemme 45, nämlich der Kathode, eines gesteuerten Gleichrichters 46, der vorzugsweise ein Siliziumelement ist, verbunden. Eine Diode 5o, vorzugsweise ein Siliziumelement, liegt über die Leitungen 4o und 47 parallel zur Erregerwicklung 41. Die andere Klemme des gesteuerten Gleichrichters 46, die Anode 51* liegt über eine Leitung 52 an Masse. Der Ausgangskreis, der die Anode 45 und die Kathode 51 des gesteuerten Gleichrichters 46 umfaßt, ist also in Serie mit der Erregerwicklung 4l geschaltet, und somit kann der Energiezufluß durch die Erregerwicklung 41 über den gesteuerten Gleichrichter 46 gesteuert werden. Die Ankerwicklung 11

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des l/echselstromgenerators Io und die Leitung 24 sind über eine Leitung mit der Leitung 44 verbunden, und somit besteht eine Verbindung zwischen der Ankerwicklung 11 und den beiden Dioden 17 und 2o zur Erregerwicklung 4l und zu dem gesteuerten Gleichrichter 46. Diese Verbindung hat den Zweck, auf die Erregerwicklung und den gesteuerten Gleichrichter 46 eine einweggleichgerichtete Spannung des Wechselstromgenerators Io aufzugeben, wie noch weiter erläutert werden wird. ~

Ein Schwingkreis, vorzugsweise in der Form einer Kippschwingschaltung 55, ■ ist mit dem gesteuerten Gleichrichter 46, dem Zweiweggleichrichter 14 und dem Akkumulator 33 verbunden, um die Leitfähigkeit des gesteuerten Gleichrichters 46 als Punktion der Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators Io, die an dem Zweiweggleichrichter 14 anliegt, zu steuerni diese Kippschwingschaltung 55 enthält einen Transistor 56 mit einem Emitter 57, einer ersten Basis 58 und einer zweiten Basis 59· Die erste Basis 58 ist mit dem positiven Anschluß 31 des Gleichrichters 14 und der positiven Klemme des Akkumulators 33 über eine Leitung 6l, einen Schalter 62 und die Leitung 42 verbunden. Der Emitter 57 ist mit der Leitung 6l über eine Leitung 63 und einen Widerstand 64 verbunden, während die zweite Basis 59 über einen Widerstand 65 an Masse liegt und gleichzeitig über eine Leitung 67 mit der Steuerelektrode 66, dem "gate" des gesteuerten Gleichrichters 46, verbunden ist. Der Emitter 57 liegt ebenfalls an Masse, und zwar über die Parallelschaltung eines Kondensators 71 und einer Zener-Diode 72.

Die Kippschwingschaltung 55 wird zur Lieferung des Inbetriebsetzungsoder des Steuersignals des gesteuerten Gleichrichters 46 benutzt. Wie im einzelnen weiter ausgeführt werden wird, wird der gesteuerte Gleichrichter bei jeder Periode der Generator-Ausgangsspannung durch die Abflachung der einweggleichgerichteten Spannungswelle, die von der Ankerwicklung 11 über die Leitungen 54, 44, 4o, die Erregerwicklung 4l und die Leitungen 47 und 48 kommt, gesperrt. Ebenso wird der gesteuerte Gleichrichter durch die Polarisationsumkehr in der Erregerwicklung 4l gesperrt, wenn die Spannung den Nulldurchgang erreicht.

Im Transistor 56 erscheint der Emitter 57 offen, wenn das Verhältnis der Spannungsdifferenz zwischen dem Emitter 57 und der zweiten Basis 59

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zur Spannungsdifferenz zwischen der ersten Basis 58 und der zweiten Basis 59 kleiner ist, als ein bestimmter Betrag N. Dieser Betrag liegt in der Größenordnung von 0,55 bis 0,75· Wenn dieses Verhältnis gleich N oder größer ist, weist der Emitter 57 zur zweiten Basis 59 hin einen negativen Widerstand auf, der einem Kurzschluß nahekommt, und das ermöglicht dem Kondensator 71, der über den Widerstand 64 aufgeladen ist, sich über den Emitter 57* die zweite Basis 59 und den Widerstand 65 zu entladen. Dadurch wird das Potential der Steuerelektrode 66 des gesteuerten Gleichrichters 46 auf den Betrag gehoben, bei dem er leitfähig wird, vorausgesetzt, daß zwischen den Ausgangselektroden 45 und 51 des gesteuerten Gleichrichters 46 eine passende " Spannung anliegt.

So wird also durch die Punktion der Kippschwingschaltung 55 der Kondensator über den Widerstand 64 vom Akkumulator J53 und dem Gleichrichter 14 aufgeladen. Wenn die Spannung am Kondensator 71 einen bestimmten Teilbetrag der Gesamtspannung, die zwischen den beiden Basen 58 und 59 des Transistors 56 erscheint, erreicht, schlägt der Transistor 56 durch, und der Kondensator entlädt sich über den Emitter 57 und die zweite Basis 59 des Transistors 56, wobei der Widerstand 65 einen positiven Impuls auf die Steuerelektrode 66 des gesteuerten Gleichrichters 46 abgibt. Wenn der Kondensator 71 entladen ist, versehwindet die Spannung am Emitter 57# und der Transistor 56 geht wieder in den nichtleitenden Zustand über, in dem der Stromkreis zwischen Emitter 57 i und der zweiten Basis 59 offen erscheint. Der Kondensator 71 lädt sich wieder über den Widerstand 64 auf, und der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich infolge der Punktion des Kippschwinggenerators.

Die Zener-Diode 72 begrenzt den Höchstwert der Spannung am Kondensator 71 und am Emitter 57 und bildet so ein Regel- oder Bezugsschaltelement zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Generators Io. Solange die an der Leitung 6lund der ersten Basis 58 erscheinende Spannung kleiner als das 1/N-fache der Zener-Spannung der Zener-Diode ist, ist die Funktion der Anordnung normal, die Kippsehwingschaltung liefert positive Impulse auf die Steuerelektrode 66 des gesteuerten Gleichrichters 46 und macht diesen damit leitfähig. Als Folge davon erhöht die Ausgangsspannung des Generators Io am Gleichrichter 14 die Energiezufuhr in die Erregerwicklung 4l infolge der Spannung der Ausgangswicklung 11,

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die an dem Leiter 54 anliegt. Wenn jedoch die an dem Leiter 6l,der über die Leitung 42 und den Sehalter 62 mit dem positiven Anschluß 31 des Gleichrichters 14 verbunden 1st, auftretende Spannung das l/N-fache der Zener-Spannung übersteigt, hören die Schwingungen auf.

Wenn z. B. die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators Io auf 14 Volt begrenzt werden soll und die Zenerspannung (Durchbruchsspannung) an der Zener-Diode 72 liegt bei 7 Volt, dann begrenzt die Zener-Diode die Spannung am Emitter 57 auf 7 Volt, während die Spannung am Gleichrichter 14, die auch an der ersten Basis 58 des Transistors 56 anliegt, einen bestimmten Betrag erreichen kann. Wird ein N von 0,5 angenommen und die Ausgangsspannung übersteigt 14 Volt, hören die Schwingungen auf, da die Ausgangsspannung des Generators, die an der ersten Basis 58 auftritt, das Ι/ΐί-fache der Zenerspannung übersteigt.

Der Widerstand 64 und der Kondensator 71 sind so bemessen, daß die Kippschwingschaltung 55 eine Frequenz abgibt, die beträchtlich höher ist als die Frequenz des einweg-gleichgerichteten Wechselstroms, der zu den Klemmen 45 und 51 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 46 von der Ankerwicklung 11 des Generators Io geliefert wird. Das Verhältnis zwischen den beiden Frequenzen liegt in der Größenordnung von 6 zu 1 bei höheren Generatorgeschwindigkeiten. Damit wird bewirkt, daß der Gleichrichter zu jedem Zeitpunkt während der Spannungshalbwelle, in der ein Impuls von der Kippschwingschaltung auf die Steuerelektrode 66 des gesteuerten Gleichrichters 46 gegeben wird, leitfähig ist. Diese schnellen Impulse auf die Steuerelektrode 66 stellen die Leitfähigkeit des gesteuerten Gleichrichters 46 sicher, da, falls bei Anliegen von Spannung richtiger Polarität infolge einer Fehlfunktion dieser nicht leitfähig wird, die Leitfähigkeit bei einer Impulsfolge hergestellt wird. Somit wird eine zufriedenstellende Funktion gesichert.

Für den Fall, daß die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators lo, die am Gleichrichter 14 erscheint, unter dem Spannungsgrenzwert, beispielsweise 14 Volt, liegt, regen die Impulse der Kippschwingschaltung 55 den Siliziumgleichrichter an und ermöglichen somit dem Erregerstrom, durch die Erregerwicklung 4l zu fließen.

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Bevor zu Beginn des Fiegelvorgangs der Wechselstromgenerator Io eine Ausgangsspannung liefert, erhält die Erregerwicklung 4l ihre Energiezufuhr von dem Akkumulator 33 über die Leitungen ~$\ und 42, den Widerstand 43, und die Leitungen 44 und 45. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet bei geschlossenem Schalter 62 die Kippschwingsahaltung 55* da die Klemmenspannung des Akkumulators 33 unter dem Spannungsgrenzwort liegt. Dadurch kann ein Strom über die Erregerwicklung 4l und den gesteuerten Gleichrichter 46 fließen, da der Akkumulator 33 die passende Spannungspolarität an den gesteuerten Gleichrichter 46 zur Erzielung einer Leitfähigkeit liefert.

Wenn der Wechselstromgenerator Io beginnt, eine Ausgangsspannung zu liefern, liegt eine einweggleichgerichtete Spannungswelle an der Erregerwicklung 4l und dem Gleichrichter 46 infolge der im vorhergehenden beschriebenen Schaltungsanordnung an. Erreicht die Spannungswelle ihren Nullwert, wird das zusammenbrechende Feld der Erregerwicklung 4l in der Diode 5o verzehrt» Dies hat eine Spannung entgegengesetzter Polarität zur Folge, die an den Elektroden 45 und des gesteuerten Gleichrichters 46 anliegt und die Wirkung einer Spannung, die auf diese Elektroden von dem Akkumulator 33 und dem Gleichrichter 14 (über den Widerstand 43 und die Leitung 44) aufgegeben werden sollte, aufhebt.

Wenn die Ausgangsspannung, die am Gleichrichter 14 erscheint, den Spannungsgrenzwert überschreitet, hört der Kippschwinggenerator 55 auf zu schwingen und liefert keine weiteren Impulse mehr auf die Steuerelektrode 66 des gesteuerten Gleichrichters 46. Als Folge davon bleibt der Gleichrichter 46 geöffnet, und es fließt kein Erregerstrom durch die Erregerwicklung 4l. Das verursacht ein Abfallen der am Gleichrichter 14 auftretenden Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators Io. Wenn diese Spannung unter den Spannungsgrenzwert abfällt, beginnt die Kippschwingschaltung 55 infolge der Tätigkeit des Transistors 56 wieder Schwingungen zu liefern. Dadurch tritt der gesteuerte Gleichrichter 46 in Tätigkeit, und es wird so ermöglicht, daß Strom durch die Erregerwicklung 4l fließt.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Hier lingt die Zener-Diode 72 nicht an Masse, sondern ist mit einem Spannung3-toilorkrois Bl verbunden, der von einem Widerstand '6?., einem regelbaren Wider-

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stand 8j5 lind einem Thermistor 84 gebildet wird. Dadurch erhält man die Möglichkeit, den Spannungsgrenzwert oder die maximale Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators Io einzustellen, indem man die Spannung, bei der die Zener-Diode leitfähig wird, verändert. Dies verändert wiederum die Spannung, bei der die Kippechwingschaltung 55 aufhört zu schwingen. Der Thermistor 84 dient in bekannter Welse zu einer Temperaturkompensation. Bei kalten Umgebungstemperaturen ist es wünschenswert, die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators Io zu erhöhen, um den erhöhten Innenwiderstand des Akkumulators 35 zu kompensieren. In diesem Fall erhöht sich der Widerstandswert des Thermistors 84, da dieser einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Diese Widerstandserhöhung hebt das Potential an der Kathode der Zener-Diode 72 an, und aus diesem Grund erfolgt der Durchbruch erst bei einer höheren Generatorausgangsspannung, wodurch der Spannungsgrenzwert des Wechselstromgenerators Io erhöht wird.

Der gesteuerte Gleichrichter 46, der Transistor 56 und die Zener-Diode 72 sind relativ billige Bauelemente, die sich sehr gut für den Bau von preiswerten Schaltungsanordnungen in Kraftfahrzeuggeneratorsystemen in billiger Massenproduktion eignen. Bemerkenswert für die vorliegende Anordnung ist noch, daß der Schalter 62 nicht den Erregerstrom schalten muß, wie es in anderen Schaltungsanordnungen für Spannungsregler notwendig ist, da die Kippschwingschaltung bei geöffnetem Schalter 62 nicht arbeitet und somit der Gleichrichter 46 nichtleitend wird. Somit wird Jeglicher Stromfluß durch die Erregerwicklung 4l unterbunden, der sonst über die Leitung 42 und den Widerstand 43 vom Akkumulator 35 her erfolgen könnte·

Die vorliegende Erfindung gibt somit die Schaltung eines verläßlichen und billigen so Spannungsreglers an, der in Verbindung mit einem elektrischen Wechselstrom-Generatorsystem eines Kraftfahrzeugs benutzt werden kann.

/ Patentansprüche or-

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Claims

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Patentansprüche

1.) Spannungsregler für einen Kraftfahrzeug-Wechselstromgenerator mit nachgeschaltetem Gleichrichter, bei dem die Stromzuführung zur Erregerwicklung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Wechselstrangenerators geregelt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß in Reihe mit der Erregerwicklung (4l), die an einem Ende mit einer Ankerwicklung (11) des Generators und gleichzeitig über einen Widerstand (43) mit der positiven Klemme des Gleichrichters (l4) verbunden ist, ein gesteuerter Gleichrichter (46) liegt, dessen Steuerelektrode (66) zwecks Öffnens des gesteuerten Gleichrichters (46) Impulse aus einer Kippschwingschaltung (55) erhält.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippschwingschaltung einen Transistor (56) beinhaltet, dessen Emitter (57) Über einen Widerstand (64) und die erste Basis (58) direkt mit der positiven Klemme des Gleichrichters verbunden ist, während die zweite Basis (59) über einen Widerstand (65) an Masse liegt, gleichzeitig mit der erwähnten Steuerelektrode (66) verbunden ist, und ein Kondensator (71) zwischen Emitter (57) und Masse liegt, wobei die einzelnen Schaltelemente so aufeinander abgestimmt sind, daß der Kondensator (71)» der über den Widerstand (64) aufgeladen wird, sich bei einem bestimmten Spannungsverhältnis über den Emitter (57), die zweite Basis (59) und den Widerstand (65) entlädt, wodurch gleichzeitig ein Spannungsimpuls auf die Steuerelektrode (66) gegeben wird.

ji. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Kondensators (71) von einem bestimmten Verhältnis der Spannungsdifferenz zwischen dem Emitter (57) und der zweiten Basis (59) zur Spannungsdifferenz zwischen der ersten Basis (58) und der zweiten Basis (59) des Traneistors (56) abhängt.

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4. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Impulse wesentlich höher ist als die Frequenz des von der Ankerwicklung (11) über den gesteuerten Gleichrichter (46) fließenden Stromes.

5. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Spannungshöhe parallel zum Kondensator (71) eine Zener-Diode (72) liegt,

fc deren Durchbruchsspannung so gewählt ist, daß bei Erreichen der

oberen Spannungsgrenze eine weitere Inpulsabgabe der Kippschwingschaltung (55) verhindert wird.

6. Spannungsregler nach Anspruch 5# dadurch gekennzeichnet, daß Schaltelemente an der Kippschwingschaltung (55) vorgesehen sind, die zur Einstellung der oberen Begrenzungsspannung für die Impulsabgabe der Kippschwingschaltung (55) dienen.

7· Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen positiver Klemme des Gleichrichters (l4) und Masse die Reihenschaltung eldnes Widerstandes (82) und eines regelbaren Widerstandes (8ji) liegt» mit dessen Mittelabgriff f die Kathode der Zener-Diode (72) verbunden ist.

8. Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des erhöhten Innenwiderstandes eines an den Gleichrichter (14) angeschlossenen Akkumulators (33) bei niedrigen Temperaturen in Reihe Mt der Zener-Diode (72) ein Thermistor (84) geschaltet ist.

9. Spannungsregler nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen positiver Klemme des Gleichrichters (l4) und Masse die Reihenschaltung eines Widerstandes (82) und eines regelbaren Widerstandes (83) liegt,

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■it dessen Mittelabgriff die Kathode der Zener-Diode (72) verbunden ist, und daß zwischen Kathode und Masse ein •Haermistor (84) liegt.

lo. Spannungsregler nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung
zwischen der positiven Klemme des Gleichrichters (l4) und der Kippschwingschaltung (55) ein Sehalter (62)

liegt, durch den die Energiezufuhr zur Kippschwing- ä

schaltung (55) unterbrochen werden kann.

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