DE1638065B2

DE1638065B2 - Temperaturkompensierter halbleiterspannungsregler fuer den generator einer batterieladeeinrichtung

Info

Publication number: DE1638065B2
Application number: DE19681638065
Authority: DE
Inventors: Roger William Redditch Worcester Wright Maurice James Birmingham Nolan, (Großbritannien)
Original assignee: Joseph Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1967-02-06
Filing date: 1968-02-06
Publication date: 1973-07-26
Also published as: US3718849A; JPS6160652B1; FR1554212A; DE1638065A1; ES350419A1; GB1204882A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen temperaturkompensierten Halbleiterspannungsregler für den Generator einer Batterieladeeinrichtung, bei dem ein Steuertransistor mit seiner Basis über eine einen Sollwert bildende Zenerdiode und einen Spannungsteiler aus einem ersten und einem zweiten Widerstand an der Batteriespannung liegt, bei dem parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors ein weiterer Widerstand liegt und bei dem der Kollektor des Steuertransistors an einem die Generatorausgangsspannung regelnden, auf den Kollektorstrom ansprechenden Schaltkreis angeschlossen ist.

Bei einer bekannten Schaltung dieser Art hat die Zenerdiode einen großen positiven Temperaturkoeffizienten, während die Basis-Emitter-Strecke des Transistors einen im Vergleich dazu kleinen negativen Temperaturkoeffizienten hat, so daß der Gesamttemperaturkoeffizient dieser beiden Bauelemente positiv ist. Angestrebt wird dagegen aber ein negativer Temperaturkoeffizient oder wenigstens ein Temperaturkoeffizient von nahezu Null. Um dieser Forderung zu genügen, hat man bei der bekannten Schaltung einen Thermistor eingesetzt (»Direct Current«. November 1965, S. 175).

Bei einer anderen, ähnlichen Schaltung hat man versucht, eine Temperaturkompensation ohne Theimistor dadurch zu erhalten, daß man die Zenerdiode durch eine Tunneldiode ersetzt hat. Die Tunneldiode hat dabei etwa den gleichen positiven Temperaturkoeffizienten, wie die Basis-Emitter-Strecke des Transistors einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, so daß sich die beiden Temperaturkoeffizienten kompensieren. Nachteilig ist bei dieser Schaltung, daß mittels der Tunneldiode keine so gute Regelung zu erreichen ist wie mit einer Zenerdiode (britische Patentschrift 1.01 S 676).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterspannungsregler der eingangs genannten Art ohne Thermistor eine Temperaturkompensation zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuertransistor und die Zenerdiode in bezug auf ihren Temperaturgang und der erste und der weitere Widerstand in bezug auf ihr Widerstandsverhältnis so gewählt sind, daß der durch den Steuertransistor und die Zenerdiode bedingte positive Temperaturkoeffizient wenigstens Null, vorzugsweise negativ ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Spannungsregler ist ein die herkömmlichen Spannungsregler verteuernder

ίο Thermistor nicht erforderlich. Die Temperaturkompensation wird durch die Transistorkennwerte vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 einen temperaturkompensierten Spannungsregler für Batterieladeeinrichtungen in Kraftfahrzeugen mit einem Drehstromgenerator (es könnte auch ein Wechselstromgenerator sein),

F i g. 2 einen Ausschnitt aus F i g. 1 in einer abgewandelten Ausführungsform und

Fig.3 ein Diagramm für die Temperaturabhängigkeit der Regelspannung.
"Ein Drehstromgenerator 11 versorgt nach Fig. i einen Voll.vellengleichrichter 12 mit Leistung. Eine Batterie 15 eines Kraftfahrzeuges, ist über eine positive und negative Speiseleitung 13,14 mit dem Vollwcllongleichrichter 12 verbunden. Der Drehstromgenerator 11 versorgt außerdem über drei zusätzliche Dioden 16

eine positive Speiseleitung 17 mit Leistung, die iüi Betrieb etwa auf dem gleichen Potential liegt wie diapositive Speiseleitung 13. Die Leitungen 17,13 sind über eine Kontrollampe 18, die in Reihe mit einem Zündschalter 19 des Kraftfahrzeuges liegt, verbunden. Ein Widerstand 20 liegt über der Kontrolllampe 18.

Zwischen den Speiseleitungen 13.14 liegt eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen 21, 22. Der Verbindungspunkt der Widerstände 21, 22 ist mit der

Kathode einer Zenerdiode 23 verbunden. Die Anode dieser Zenerdiode 23 ist mit der Leitung 14 über einen Widerstand 24 und der dazu parallel liegenden Basis-Emitter-Strecke eines n-p-n-Transistors 25 verbunden. Die Widerstandswerte der beiden Widcrstände 21, 22 sind so groß, daß der Leckstrom des Transistors 25 bei einem außer Betrieb befindlichen Kranfahrzeug vernachlässigbar ist. Der Kollektor dieses Transistors 25 ist mit der Leitung 17 über einen Widerstand 26 verbunden. Außerdem ist der KoI-lektor des Transistors 25 mit der Basis eines n-p-n-Transistors 27 verbunden, dessen Kollektor an der Leitung 17 über einen Widerstand 28 und dessen Emitter mit der Basis eines n-p-n-Transistors 29 verbunden sind. Der Transistor 29 liegt mit seinem Emitter an der Leitung 14 und mit seinem Kollektor über die Feldwicklung 31 des Drehstromgenerators an der Leitung 17. Parallel zu der Feldwicklung 31 liegt eine Diode 32. Der Kollektor des Transistors 29 ist außerdem an der Basis des Transistors 25 über eine Rück-

So kopplung angeschlossen, die aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes 33 und eines Kondensators 34 besteht.

Wenn der Zündschalter 19 geschlossen wird, werden die Transistoren 27, 29 durch den über die aufleuchtende Kontrollampe 18 fließenden Strom durchgeschaltet. Nun fließt der volle Feldstrom durch die Feldwicklung 31. Sobald der Drehstromgenerator 11 ein Ausgangssignal erzeugt, steigt das Potential auf

der Leitung 13 an, so daß die Kontrollampe 18 erlischt. Trotzdem bleiben die Transistoren 27. 29 durch den von den Dioden 16 gelieferten Strom durchgeschaltet.

Sobald eine vorgegebene Spannung erreicht wird, leitet die Zenerdiode 23, und an dem WiJerstand 24 entsteht ein Spannungsabfall. Der dadurch hervorgerufene Basis-Emitierstrom im Transistor 25 bewirkt, daß ein Kollektorstrom durch den Transistor 25 fließt. Sobald dieser Kollektorstrom einen vorgegebenen Wert erreicht, wird genügend Strom, der durch den Widerstand 26 fließt, über den Transistor 25 umgeleitet, so daß ein Schaltvorgang eingeleitet wird. Der Schaltvorgang bewirkt, daß der Transistor 25 durchgeschaltet wird und die Transistoren 27. 29 gesperrt werden, so daß kein Feldstrom mehr fließt. Öirch die Rückkopplung (Widerstand 33 und Kondenstor 34) wird sichergestellt, daß die Schaltung schreit aus dem einen Zustand, in dem der Transistor 25 Jurchgeschaltet ist und die Tr?.r-istoren 27. 2*> gesperrt sind, in den anderen Zustand, in dem die Transistoren 27. 29 durchgeschaltet sind und der Tv.'-isistor 25 gesperrt ist. umgeschaltet wird. Die Umschaltung ist von dem durch die Zenerdiodi' 23 flutenden Strom abhängig, der hinwiederum von der B. r.jriespannung abhängt. Die Anordnung ist so getroii'en. daß der Strom in der Feldwicklung 31 die B;: L'iespannung auf einen \orgegebcnen Wert hält. Wenn die Temperatur der Batterie konstant ware. wii de. wie oben beschrieben, die Schaltung \0Hk0m- 3" men ausreichen. Da aber in der Praxis die¹ Temperatur der Batterie unvermeidlich schwankt, muß eine· Temperaturkompensation vorgesehen werden. Eine derartige Kompensation wird normalerweise mit einem Thermistor erreicht, der mit dem Widerstand 21 parallel liegt. In Fig. 3 zeigt die Kurve A das Verhältnis zwischen der Temperatur und der Regelsp.iiinung bei einem mit einem Thermistor lemperatui kompensierten Spannungsregler. Daraus ergibt sich, daß die bevorzugte Charakteristik eine mit dem Anstieg der Temperatur fallende Rcgelspannung ist. Wenn nun der Thermistor weggelassen wird, erhält man die Kurve B. Diese Kurve genügt aber in keiner Weise den an einen Spannungsregler für Batterieladeeinrichtungen in Kraftfahrzeugen gestellten Forderungen. Obwohl bei der in F i g. 1 gezeigten Schaltung kein Thermistor verwendet ist. erhält man eine den Forderungen genügende Temperaturkompensation, wie die Kurve C zeigt. Die Kurve C wird ohne Thermistor erreicht, wenn die Werte der verschiedenen Bauelemente richtig gewählt werden. Der Transistor 25 hat solche Kennwerte, daß bei einem vorgegebenen Kollektorstrom die geforderte Basis-Emitter-Spannung mit der Temperatur abnimmt. Da die Regelung bei einem vorgegebenen Kollektorstrom einsetzt, kann erreicht werden, daß die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators herabgesetzt wird, wenn die Temperatur des Transistors 25 steigt. Man erhält eine solche Regelung, wenn der Transistor 25 gegenüber den Temperaturen, die ausreichend nahe an der Battcrictempcratur liegen, unempfindlich ist. Es ist noch zu erwähnen, daß für eine wirksame Kompensation der Wert des Widerstandes 24 sorgfältig im Verhältnis zu dem Wert des Widerstandes 21 gewählt werden muß. weil die wirksame Kompensation durch das Verhältnis dieser Widerstände vervielfacht wird. Dieser Erkenntnis liegen folgende Überlegungen zugrunde:

in F i g. 1

U_u Batteriespannung,
U_R _2l Spannung am Widerstand 21, t/_z.,.. Spannung an der Zenerdiode 23, U_T~\ Basis-Emiuerspannung des Transistors 25.

Da die Ströme durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 25 und durch den Widerstand 22 gegenüber dem Strom durch die Widerstände 21, 24 vernachlässigbar klein sind, ergibt sich

y«₂, = *«·'* si ⁽³⁾

/?.,, Widerstand 24,
R.l[ Widerstand 21

wird zur Elimination von / näherungsweise 'km = ^, gesetzt

und eingesetzt in die Gleichung (1)

_v _r= Bl u_t,.

U _{z Ά}~υ_Τ«.:,

R₃₄ - —

Daraus folgt, daß man eine Temperaturkompensation der Basis-Emitter-Spannung (',.,. über die Dimensionierung der Widerstände 21. 42 vornehmen

kann.

Schaltungen, wie sie Fig. 1 zeigt, sind zwar im Prinzip bekannt, doch wird bei denen keine Temperaturkompensation erreicht. Diese sind für Batterieladecinrichtungen deswegen nicht brauchbar. Sie unterscheiden sich von der erfindungsgemäßen Schaltung insbesondere in der Dimensionierung des Widerstandes 24. Normalerweise würde man für den Widerstand 24 einen hohen Widerstandswert wählen, aber es ist für diesen besonderen Zweck notwendig, daß der Widerstandswert so niedrig gewählt wird, daß der Widerstand für die Temperaturkompensation wirksam werden kann. Ein typisches Beispiel für die Werte der in F i g. 1 gezeigten Bauelemente wird im folgenden angegeben:

Bau	I Wen	Bau-
element		clemcn
21	1.000 0
22	3.000 12	25
24	200 V.	27
26	1,000 Ω	29
28	800 Ω	23
33	1.000 ü
34	\ 10.000 pF

Type

Lucas DT lfi Lucas DT 16 Lucas DT 32 8-V-Zener Diode

Die spezielle temperaturkompensierte Spannung hängt von der jeweiligen Ausführungsform der Schaltung ab. Aus diesem Grunde sind verschiedene Regelungen möglich. Da die Kenndaten des Transistors

25 vorzugsweise linear sind, wird auch die Kompensation linear sein. Es ist aber auch möglich, sofern es gewünscht wird, daß die Kompensation in einem oder mehreren Temperaturbereichen unterschiedlich ist.

Fig. 2 zeigt dafür ein Ausführungsbeispiel. Die Schaltung ist im wesentlichen der in F i g. 1 gezeigten Schaltung gleich, wobei hier allerdings zusätzliche Widerstände 41 und 42 vorgesehen sind, die in Reihe miteinander zwischen den Leitungen 13, 14 liegen. Die Verbindungsstelle der Widerstände 41. 42 ist über eine zweite Zenerdiode 43 an der Basis des Transistors 25 angeschlossen. Mit dieser Schaltung läßt sich leicht erreichen, daß die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators bis zu einer Temperatur von 20 C gleich ist, daß die Spannung danach aber mit dem Temperaturanstieg fällt. Zu diesem Zweck wird das Verhältnis der Widerstände 21, 24 so bcstimmt, daß eine konstante Spannung bis 20" C erhalten wird. Das Verhältnis der Widerstände 41, 24 dagegen wird so gewählt, daß die Spannung über 20 C eine Kurve beschreibt. Dazu werden in dieser Schaltung die Widerstände 22, 42 zunächst sehr grüß ίο gewählt. Der Wert des Widerstandes 22 wird zuerst für eine Temperatur unter 20^c C festgelegt, wonach der Wert des Widerstandes 42 festgelegt wird, und zwar bei einer erhöhten Temperatur, um die gewünschte Spannungskurve zu erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Temperaturkompensierter Halbleiterspannungsregler für den Generator einer Batterieladeeinrichtung, bei dem ein Steuertransistor mit seiner Basis über eine einen Sollwert bildende Zenerdiode und einen Spannungsteiler aus einem ersten und einen zweiten Widerstand an der Batteriespannung liegt, bei dem parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors ein weiterer Widerstand liegt und bei dem der Kollektor des Steuertransistors an einem die Generatorspannung regelnden, auf den Kollektorstrom ansprechenden Schaltkreis angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (25) und die Zenerdiode (23) in bezug auf ihren Temperaturgang und der erste und der weitere Widerstand (21 bzw. 24) in bezug auf ihr Widerstandsverhältnis so gewählt sind, daß der durch den Steuertransistor (25) und die Zenerdiode bedingte positive Temperaturkoeffizient wenigstens Null, vorzugsweise negativ ist.