DE1513398C - Transistorregler für eine Dynamomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorregler für eine Dynamomaschine, mit einem mit der Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine in Reihe geschalteten Leistungstransistor, dessen Emitter über einen niederohmigen Widerstand mit einer Ausgangsleitung der Dynamomaschine verbunden ist und der durch einen Steuertransistor aus dem normalerweise stromleitenden in den gesperrten Zustand schaltbar ist, bei dem die an der Emitter-Basis-Strecke anliegende Spannung sich in Abhängigkeit von dem von der Dynamomaschine gelieferten Ausgangsstrom und von der gelieferten Ausgangsspannung derart ändert, daß jeweils bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes der Steuertransistor aus seinem normaler- ; weise gesperrten in den leitenden Zustand übergeht, und welchem Leistungstransistor eine mit dem Steuertransistor in Verbindung stehende Transistor-Schutzeinrichtung zugeordnet ist, die bei einer Überlastung des Leistungstransistors durch einen Kurzschluß in der Feldwicklung der Dynamomaschine anspricht und den Steuertransistor in den leitenden und damit den Leistungstransistors in den gesperrten Zustand bringt.

Bei einem bekannten Transistorregler dieser Gattung (deutsche Auslegeschrift 1 146 572) enthält die dem Leistungstransistor zugeordnete Transistor-Schutzeinrichtung eine als spannungsabhängiger Widerstand verwendete, in ihrer Durchlaßrichtung betriebene Siliziumdiode, die mit einem unveränderbaren Widerstand in Reihe geschaltet ist und mit diesem zusammen zu der aus der Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors und der Nebenschlußfeldwicklung gebildeten Reihenschaltung parallel liegt. Parallel zur Siliziumdiode ist ein aus einem Heißleiter ι und einem Festwiderstand bestehender Spannungsteiler vorgesehen. Zwischen dem Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände und der Basis des Steuertransistors liegt eine Germaniumdiode, die einen Stromfluß vom genannten Verbindungspunkt zur Basis des Steuertransistors verhindert, jedoch dann stromdurchlässig wird, wenn das Potential des Verbindungspunktes niedriger als das Basispotential des Steuertransistors wird. Durch die Diode wird verhindert, daß die Schutzeinrichtung bei ungestörtem Betrieb des Dynamos den Regelvorgang beeinflußt. Damit die Schutzeinrichtung den Steuertransistor stromleitend machen und damit den Leistungstransistor sperren kann, wenn der durch den Leistungstransistor fließende Strom infolge eines die Feldwicklung ganz oder auch nur teilweise erfassenden Kurzschlusses unzulässig hohe Werte anzunehmen droht, ist die Größe des niederohmigen Widerstandes zwischen dem Emitter des Leistungstransistors und der einen Ausgangsleitung der Dynamomaschine so gewählt, daß bei ungestörtem Betrieb und voller Belastung der Höchstwert des Erregerstromes auftreten kann, ohne daß die Schutzeinrichtung anspricht.

Bei einem anderen bekannten Transistorregler der eingangs beschriebenen Gattung (deutsche Auslegeschrift 1146 174) enthält die dem Leistungstransistor zugeordnete Transistor-Schutzeinrichtung einen. Ver-

Stärkungstransistor und einen bistabilen Multivibrator mit einem Haltetransistor und einem Schalttransistor. Die Basis des Verstärkungstransistors ist mit dem zwischen dem Emitter und der einen Ausgangsleitung der Dynamomaschine liegenden niederohmigen Widerstand verbunden. Ein im Kollektorstromkreis des Verstärkungstransistors angeordneter Arbeitswiderstand ist an den Abgriff eines Potentiometers angeschlossen, das zwischen der zweiten Ausgangsleitung der Dynamomaschine und einer mit der ersten Ausgangsleitung verbundenen Hilfsleitung angeordnet ist. Die Transistor-Schutzeinrichtung enthält außerdem einen zweiten aus drei Widerständen bestehenden Spannungsteiler über der zu regelnden Ausgangsspannung der Dynamomaschine. Von diesen drei Widerständen sind der zweite und der dritte durch einen Kondensator überbrückt. An dem Verbindungspunkt des ersten und zweiten Widerstandes ist der Schalttransistor mit seinem Emitter angeschlossen. Die Basis des Schalttransistors steht mit dem Kollektor des Verstärkungstransistors und mit dem Kollektor des Haltetransistors über je einen Widerstand in Verbindung. Der Haltetransistor ist mit seinem Emitter an den Verbindungspunkt der beiden durch den Kondensator überbrückten Widerstände angeschlossen. Die Basis des Haltetransistors ist über einen weiteren Widerstand mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden, der außerdem über einen Widerstand und einen Kondensator an die erste Ausgangsleitung der Dynamomaschine angeschlossen ist.

Die beiden bekannten Transistor-Schutzeinrichtungen bewirken, daß der Leistungstransistor gesperrt und somit die Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine stromlos gemacht wird, sobald der Erregerstrom, beispielsweise infolge eines Teilkurzschlusses, eine noch als zulässig angesehene Stärke überschritten hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistorregler für eine Dynamomaschine derart zu gestalten, daß er trotz ausreichenden Schutzes für den Leistungstransistors bei einem Teilkurzschluß der Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine nicht sofort ausfällt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schutzeinrichtung aus zwei Transistorstufen besteht, die normalerweise gesperrt sind und von denen die erste Transistorstufe beim Auftreten eines über einem vorgegebenen Grenzwert liegenden Stromes des Leistungstransistors und die zweite Transistorstufe beim Auftreten einer über einem bestimmten Grenzwert liegenden Emitter-Kollektor-Spannung des Leistungstransistors leitet, und daß die beiden Transistorstufen mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken in Serie in einen von der einen Ausgangsleitung der Dynamomaschine zu dem Steuertransistor führenden Steuer-Strompfad eingeschaltet sind, über den der Steuertransistor in den leitenden Zustand steuerbar ist, wenn beide Transistorstufen leitend sind.

Diese Lösung beruht auf folgenden Überlegungen: Die Verlustleistung eines Transistors, die im Bereich der Grenzschicht zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors frei wird, ist bekanntermaßen gleich dem Produkt der an dieser Grenzschicht anliegenden Spannung und dem durch sie hindurchfließenden Strom. Es ist ferner bekannt, daß der Potentialunterschied zwischen dem Emitter und der Basis eines Transistors stets gering ist, so daß die Verlustleistung eines Transistors näherungsweise dem Produkt aus der Kollektor-Emitter-Spannung und dem Strom gleichgesetzt werden kann. Um zu vermeiden, daß der Leistungstransistor eines Transistorreglers durch die Verlustwärme beschädigt wird, genügt es deshalb, wenn die Transistor-Schutzeinrichtung auf das Produkt aus dem Strom und der Kollektor-Emitter-Spannung anspricht. Bestimmte Erhöhungen des Stromes oder der Spannung können innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen zugelassen werden. Der Leistungstransistor ist demnach bei dem erfindungsgemäßen Transistorregler in jedem Fall bis an die Grenzen seiner Belastbarkeit ausnutzbar und ermöglicht daher die Fortsetzung des Betriebes der Dynamomaschine auch nach einem Teilkurzschluß in ihrer Nebenschlußfeldwicklung. Dies wäre nicht möglich, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung und der Kollektorstrom des Leistungstransistors auf je einen bestimmten, nur geringfügig über dem Sollwert liegenden Wert begrenzt wären.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Transistorstufen durch je einen Transistor gebildet, von denen der Transistor der ersten Transistorstufe mit seinem Emitter an die eine Ausgangsleitung der Dynamomaschine und mit ssiner Basis an den Emitter des Leistungstransistors angeschlossen ist, während sein Kollektor mit dem Emitter des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors verbunden ist, dessen Basis an den Kollektor des Leistungstransistors angeschlossen ist und dessen Kollektor mit der Basis des Steuertransistors in Verbindung steht.

Diese Ausführungsform ist vorzugsweise dadurch weitergebildet, daß in die Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors und der Basis des Steuertransistors ein Verstärkungstransistor eingefügt ist.

Zum Festlegen des Grenzwerts der Emitter-Kollektor-Spannung des Leistungstransistors, oberhalb dessen der die zweite Transistorstufe bildende Transistor leitend wird, ist zweckmäßigerweise eine Zener-Diode in die Verbindungsleitung zwischen dem Emitter des Transistors und dem Kollektor des die erste Transistorstufe bildenden Transistors eingefügt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Bei dem dargestellten Transistorregler ist der Emitter-Kollektor-Kreis eines Leistungstransistors T₁ in Serie mit der Nebenschlußfeldwicklung / einer Dynamomaschine U und einem Widerstand R₁ geschaltet, an dessen Anschlußklemmen die Basiselektrode bzw. der Emitter eines Zwischentransistors T₂ angeschlossen sind, dessen Kollektor über eine Zener-Diode Z₁ mit niedriger Spannung mit dem Emitter eines Hilfstransistors T₃ verbunden ist, dessen Basiselektrode über einen Schutzwiderstand mit dem Ausgang 5 des Leistungstransistors T₁ und dessen Kollektor über Widerstände R₃ und R_t mit der Basiselektrode eines NPN-Verstärkungstransistors T₁ verbunden sind. Der Emitter des Transistors T₄ ist an Masse geschaltet, während dessen Kollektor über einen Widerstand R_s an die Basis eines Steuertransistors T₅ angeschlossen ist, der vorgesehen ist, um über seinen Emitter-Kollektor-Kreis auf das Potential der Basiselektrode des Leistungstransistors T₁ einzuwirken.

Die Transistoren T₁ bis T_s bilden mit der Zener-

Diode Z₁ zusammen eine Schutzeinrichtung, die den Betrieb des Reglers unterbindet, wenn gemeinsam ein Reglerstrom und eine erhöhte Spannung an den Klemmen des Leistungstransistors T₁ auftreten, was für den Fall, für den dieser Zustand aufrechterhalten wird, die Zerstörung dieses Transistors zur Folge hätte.

Gemäß der Erfindung ist der Leistungstransistor T₁ während des normalen Betriebes der Dynamomaschine leitend, während der Transistor T₂ gesperrt ist, da der normalerweise fließende Emitterstrom des Leistungstransistors T₁ zu klein ist, um den Emitter-Basis-Übergang des Transistors T₂ in den leitfähigen Zustand zu bringen. Der Transistor J₃ ist gleichfalls dadurch gesperrt, daß die Summe der Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors T₂ mit der Spannung an den Klemmen der Zener-Diode Z₁ größer ist als die Summe der Emitter-Kollektor-Spannung des Leistungstransistors T₁ zusammen mit der Spannung an den Klemmen des Widerstandes R₁. Im Falle eines Kurz-Schlusses, welcher beispielsweise dadurch hervorgerufen wird, daß die Anschlußklemme 5 an Masse gelegt ist, wird jede von der Dynamomaschine gelieferte Spannung an den Emitter-Kollektor-Kreis des Leistungstransistors T₁ angelegt, was zur Folge hat, daß sich die oben angegebene Ungleichheit umkehrt und die Transistoren T₂ und T₃ leitend werden. Es fließt demzufolge ein Strom durch die Widerstände R_s und Ri, der nach Erreichen der Basiselektrode des Transistors T₁ durch diesen Transistor verstärkt wird und seinerseits den Transistor T₅ leitend macht, was zur Folge hat, daß der Leistungstransistor T₁ bis zum Ende des Kurzschlusses gesperrt wird.

Die Begrenzung der Stromstärke wird bei dem Regler gemäß der Erfindung mittels einer Diode, z. B. mittels der Siliziumdiode D₁ erhalten, die mit der Basis des Transistors T_s verbunden ist und welche einen Strom durchläßt, wenn die Spannung an der unteren Klemme des Shuntwiderstandes R_s unter eine entsprechend dem Begrenzungswert gewählte Größe absinkt, wobei der Begrenzungswert durch die Stärke des von der Dynamomaschine gelieferten Stromes bestimmt ist; der Transistor T₅, der dann leitend wird, sperrt den Leistungstransistor T₁, was eine Verringerung des Stromes in der Nebenschlußfeldwicklung / und folglich eine Verringerung der Größe des von der Dynamomaschine U gelieferten Stromes zur Folge hat.

Die Änderung der Emitter-Basis-Spannung des Transistors T₅ in Abhängigkeit von der Temperatur ist durch einen Thermistor Th kompensiert, dessen Temperaturcharakteristik durch einen Serienwiderstand jR₇ und einen Parallelwiderstand i?₆ korrigiert ist; die Temperaturkompensation ist noch durch die Verwendung einer Germaniumdiode D₂ verbessert, die parallel zu dem Thermistor geschaltet ist. Unter diesen Voraussetzungen ist der Ausgangsstrom des Transistors T₅ von der Temperatur und demzufolge auch von dem gewählten Strombegrenzungswert unabhängig.

Die Wirksamkeit des Reglers gemäß der Erfindung hängt vor allem von der Schnelligkeit der Zustandsänderungen der verschiedenen Transistoren und insbesondere von der Geschwindigkeit ab, mit der die Sperrung des Leistungstransistors T₁ erreicht werden kann. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung, wie es in der Figur dargestellt ist, zum Verbinden der Basiselektrode des Leistungstransistors T₁ mit dem Kollektor des Transistors T₅, welcher die Sperrung des Leistungstransistors T₁ über zwei zwischen zwei Punkte A und B in Serie eingeschaltete Dioden D₃ und D₄ steuert, eine Kapazität C₂ vor, die parallel zu den Dioden zwischen den oben angegebenen Punkten eingefügt ist. Wenn der Leistungstransistor T₁ leitend ist, was während des normalen Betriebes der Dynamomaschine der Fall ist, lädt sich die Kapazität C₂ auf eine Spannung auf, die durch die Summe der Spannungen an den Klemmen der Dioden D₃ und D₄ bestimmt ist; wenn demzufolge der Transistor T₅ leitend wird, wird der Punkt A positiv, wobei zu dieser positiven Spannung vorteilhafterweise die an den Klemmen der Kapazität C₂ auftretende Spannung hinzukommt, so daß die Basiselektrode des Leistungstransistors T₁ an ein positives Potential gelegt wird, das größer als dasjenige seines Emitters ist, wodurch dieser Transistors völlig gesperrt wird.

Durch eine geeignete Wahl der verwendeten Kapazität kann die Steuerung des Leistungstransistors T₁ unabhängig von der Temperatur gemacht werden.

Es wurden oben diejenigen Bauteile der in der Zeichnung gezeigten Schaltung erläutert, die für die Erfindung von besonderer Wichtigkeit sind; die anderen in der Zeichnung dargestellten Bauteile, d. h. die als Spannungsteiler oder als Schutz- oder Vorspannwiderstände eingeschalteten Widerstände, der Kapazitäten und Filterdioden, die Batterie E, der Anlasser F und das Verbrauchernetz P, sind nicht im einzelnen beschrieben, da sie die in der Transistortechnik allgemein bekannten Eigenschaften besitzen oder da sie nur für eine besondere Anwendung des Dynamomaschinenreglers gemäß der Erfindung verwendet werden.

Bei einer praktischen Ausführungsform einer Schaltung gemäß der Erfindung hatten die in der Zeichnung bezeichneten Bauteile folgende Kennwerte:

Transistoren-Typ

T₁ 2N174

T₂ 2N526

T₃ 2N 526 .

T₄, 2N 697

T₅ 2N669

Dioden

Z₁ Zenerspannung 5V

Z₂ Zenerspannung 2V

D₁ Siliziumdiode 200 mW

D₂ Germaniumdiode

D₃ Siliziumdiode 200 mW

D₄ Siliziumdiode 200 mW

Kapazitäten

C₁ 0,22 μ-F

C₂ 22 μ¥ (Elektrolyt)

Widerstände

R₁ Shunt 0,1 Ω (2 W)

i?₂ 1OkQ (1/4 W)

R₃ 2000 Ω (1/4 W)

i?₄ 500 Ω (1/4W)

R₅ 2000 Ω (1/4 W)

R_ß 22 Ω (1/4W)

R₇ 700 Ω (1/4W)

I 513 398

R₈ Shunt von 400 mV

zur Strombegrenzung

0,02 Ω (8w) bei einer Grenzstromstärke von 20 A

.R₉ 470 Ω (1/4W)

R₁₀ 4700 Ω (1/4 W)

R_n 240 Ω (1/4 W)

R₁₂ 1200 Ω (1/4 W)

R₁₃ 220Ω (IW)

R₁₄, 1200Ω (1/4W)

R₁₅ 1500Ω (1/4W)

R₁₅ 33ΟΩ (1/4W)

Es wird bemerkt, daß die beschriebenen Bauelemente durch äquivalente Bauelemente, welche die gleichen Aufgaben erfüllen, ersetzt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 586/51

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Transistorregler für eine Dynamomaschine¹, mit einem mit der Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine in Reihe gesschalteten Leistungstransistor, dessen Emitter über einen niederohmigen Widerstand mit einer Ausgangsleitung der Dynamomaschine verbunden ist und der durch einen Steuertransistor aus dem normalerweise stromleitenden in den gesperrten Zustand schaltbar ist, bei dem die an der Emitter-Basis-Strecke anliegende Spannung sich in Abhängigkeit von dem von der Dynamomaschine gelieferten Ausgangsstrom und von der gelieferten Ausgangsspannung derart ändert, daß jeweils bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes der Steuertransistor aus seinem normalerweise gesperrten in den leitenden Zustand übergeht, und welchem Leistungstransistor eine mit dem Steuertransistor in Verbindung stehende Transistor-Schutzeinrichtung zugeordnet ist, die bei einer Überlastung des Leistungstransistors durch einen Kurzschluß in der Feld\vicklung der Dynamomaschine anspricht und den Steuertransistor in den leitenden und damit den Leistungstransistor in den gesperrten Zustand bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung aus zwei Transistorstufen (T₂ und T₃) besteht, die normalerweise gesperrt sind und von denen die erste Transistorstufe (T₂) beim Auftreten eines über einem vorgegebenen Grenzwert liegenden Stromes des Leistungstransistors (T₁) und die zweite Transistorstufe (T₃) beim Auftreten einer über einem bestimmten Grenzwert liegenden Emitter-Kollektor-Spannung des Leistungstransistors (T₁) leitet, und daß die beiden Transistorstufen mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken in Serie in einen von der einen Ausgangsleitung der Dynamomaschine (U) zu dem Steuertransistor (T₅) führenden Steuer-Strompfad (R₉-Ts-Z₁-Ta-R₃-R₁-Ti-Rs-Ts) eingeschaltet sind, über den der Steuertransistor (T₅) in den leitenden Zustand steuerbar ist, wenn beide Transistorstufen (T₂ und T₃) leitend sind.

2. Transistorregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistorstufen durch jeweils einen Transistor (T₂ bzw. T₃) gebildet sind, daß der Transistor (T₂) der ersten Transistorstufe mit seinem Emitter (über R₉) an die eine Ausgangsleitung der Dynamomaschine (U) und mit seiner Basis an den Emitter des Leistungstransistors (T₁) angeschlossen ist, während sein Kollektor mit dem Emitter des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors (T₃) verbunden ist, dessen Basis (über R₂) an den Kollektor des Leistungstransistors (T₁) angeschlossen ist und dessen Kollektor mit der Basis des Steuertransistors (T₅) in Verbindung steht.

3. Transistorregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung zwischen dem Kollektor des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors (T₃) und der Basis des Steuertransistors (T₅) ein Verstärkungstransistor (T₄) eingefügt ist.

4. Transistorregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zener-Diode (Z₁) in die Verbindungsleitung zwischen dem Emitter des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors (T₃) und dem Kollektor des die erste Transistorstufe bildenden Transistors (T₂) eingefügt ist.