DE1638068C3 - Spannungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler für einen gleichstromerregten Generator zum Aufladen einer Kraftfahrzeugbatterie mit einem Leistungstransistor, zu dessen Emitter-Kollektor-Strecke die Feldwicklung des Generators in Reihe liegt und dessen Emitter über einen Widerstand an die eine Klemme des Generators und der Batterie angeschlossen ist, und mit einem Steuertransistor, der in Abhängigkeit von der Batteriespannung den Strom durch die Feldwicklung über den Leistungstransistor derart steuert, daß mit größer werdendem Strom im Steuertransistor der Slrom im Leistungstransistor verringert wird. Ein solcher Spannungsregler ist bekannt (britische Patentschrift 8 43 591).

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Spannungsreg- In.*·»* nXvwtl.nl« „;_nAn Cnnni.iiniwani.lna Ί»·· *»«*.!% A »·» A«»«<a>c>

ivi II, iiaiinivii vuivii kjpauiiuiigdi V51V1, uvi iiavii /-»ι » witve stetigen Verstärkers arbeitet und einen anderen Spannungsregler, der nach Art eines Schalters arbeitet Bei beiden Spannungsreglerarten ist der Leistungstransisior unterhalb einer bestimmten unteren Batteriespans nung in vollem Umfange leitend, während der Steuertransistor gesperrt ist Außerdem ist bei beiden Arten oberhalb einer bestimmten oberen Batteriespannung der Steuertransistor volleitend, während der Leistungstransistor gesperrt ist Spannungsregler vom Verstärkertyp arbeiten zwischen diesen beiden bestimmten Spannungen als stetige Verstärkerschaltung, in der bei steigender Batteriespannung der Steuertransistor allmählich seinen Strom vergrößert und der Leistungstransistor allmählich seinen Strom verringert Bei Spannungsreglern vom Schaltertyp ist eine Rückkopplung derart vorgesehen, daß im Bereich zwischen den beiden bestimmten Batteriespannungen die Transistoren zwischen einem Zustand, bei dem der Steuertransistor volleitend und der Leistungstransistor gesperrt ist und einem zweiten Zustand, bei dem der Steuertransistor gesperrt und der Leistungstransistor volleitend ist hin und her schalten. Zwischen den beiden bestimmten Batteriespannungen ändert sich das Tastverhältnis derart daß der durchschnittliche Stromfluß in der

Feldwicklung mit steigender Spannung abnimmt

Untersuchungen an Spannungsreglern haben gezeigt daß sie unter bestimmten Umständen falsch arbeiten. Es wurde festgestellt, daß das falsche Arbeiten vom Widerstand der Leitungen des Spannungsreglers

jo verursacht wird. So wurde beim Spannungsregler vom Verstärkertyp festgestellt, daß er von Zeit zu Zeit wie ein Schmitt-Trigger arbeitet nämlich entweder einen leitenden oder einen gesperrten Zustand einnimmt, wenn er eigentlich als stetiger Verstärker arbeiten

J5 sollte. In entsprechender Weise wurde bei einem Spannungsregler vom Schaltertyp festgestellt, daß er im leitenden oder gesperrten Zustand bleibt wenn er eigentlich schwingen sollte. Derartig falsch arbeitende Spannungsregler erbringen nicht die gewünschte Regelung im Bereich zwischen den beiden bestimmten Batteriespannungen; vielmehr führt der Schmitt-Tpgger-Effekt dazu, daß die geregelten Spannungen zwischen Werten pendeln, die wegen ihrer großen Differenz ein Flackern der Fahrzeuglampen bewirken.

Das nicht gewünschte Flackern von Fahrzeuglampen braucht jedoch nicht in jedem Fall aufzutreten. Es wurde festgestellt, daß es für eine gegebene Differenz zwischen den erwähnten bestimmten Batteriespannungen keinen zulässigen maximalen Wert für den Widerstand der Leitungen gibt, oberhalb dessen der Schmitt-Trigger-Effekt erst auftritt Aus diesem Grunde kann ein Spannungsregler, der ohne Kenntnis des Schmitt-Trigger-Effektes entwickelt worden ist, bei einer bestimmten Ausbildung eines Kraftfahrzeuges befriedigend arbeiten, währei ■■'. derselbe Spannungsregler beim Einsatz in einem anderen Kraftfahrzeug wegen des auftretenden Schmitt-Trigger-Effektes falsch arbeitet, wenn er über längere Leitungen angeschlossen ist, die einen unzulässigen Widerstand haben (britische

bo Patentschrift 8 43 591).

Neben dieser sich im Betrieb negativ auswirkenden Ursache können gleich aufgebaute Spannungsregler beim Einbau in gleiche Fahrzeuge zu Instabilität neigen. Es wurde gefunden, daß die Ursache für diese Instabilität darin liegt, daß die Differenz zwischen den erwähnten bestimmten Batteriespannungen von den Verstärkungsfaktoren der Transistoren abhängt, die auf Grund der Kcrsicüur.gsicicrar.zer. unterschiedlich groß

ausfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsregler der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß er in jedem Fall uefriedigend arbeitet, solange der Widerstand der Leitungen zum Spannungsregler unter einem bestimmten, berechenbaren Wert liegt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Bei dem nrfindungsgemäßen Spannungsregler wird durch die Gegenkopplung der Gesamtverstärkungsfaktor stabilisiert Dadurch wird die Differenz zwischen den beiden erwähnten bestimmten Batteriespannungen exakt festgelegt und bleibt im Betrieb im wesentlichen konstant

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Leistungstransistor so gesteuert, daß er als stetiger Verstärker arbeitet Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Leistungstransistor und dem Steuertransistor eine Rückkopplung vorgesehen, durch welche der Leistungstransistor nach Art eines Schalters arbeitet

Eine zweckmäßige Temperaturkompensation, die ohne Thermistor auskommt, ist nach einem Vorschlag der Erfindung dadurch gekennzeichnet daß der Widerstandswert des Gegenkopplungswiderstandes im Verhältnis zur Kennlinie des Steuertransistors und zu den anderen Schaltungskenngrößen derart gewählt ist, daß die Batteriespannung, bei welcher die Regelung beginnt, sich mit der Temperatur in einer vorbestimmten, gewünschten Weise ändert

Vorzugsweise stehen der Leistungstransistor und der Steuertransistor in enger thermischer Berührung.

Nach einem weiteren, vorteilhaften Vorschlag der Erfindung ist der Leistungstransistor mit dem Steuertransistor über einen weiteren, als Verstärker arbeitenden Transistor verbunden, der zu dem Leistungstransistor als Emitter-Folger geschaltet ist

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Spannungsreglers vom Schaltertyp näher erläutert

Ein Synchron-Generator 11 versorgt über einen Vollweggleichrichter 12 eine positive und eine negative Versorgungsleitung 13,14, zwischen denen die Batterie 15 des Kraftfahrzeuges geschaltet ist Der Generator versorgt über drei zusätzliche Dioden 16 ferner eine positive Versorgungsleitung 17, welche im Betrieb sich im wesentlichen auf demselben Potential wie die positive Leitung 13 befindet. Die Leitungen 17 und 13 sind über eine Warnlampe 18 miteinander verbunden, welche in Reihe mit dem Zündschalter 19 liegt. Ein Widerstand 20 ist parallel zur Warnlampe 18 geschaltet Die von dem Zündschalter 19 gesteuerten Verbraucher des Fahrzeuges sind in Reihe mit diesem an die Batterie angeschlossen.

Zwischen die Leitungen 13, 14 ist ein Paar von Widerständen 21, 22 in Reihe geschaltet, deren Widerstandswerte derart sind, daß der Stromfluß vernachlässigbar ist, wenn das Kraftfahrzeug nicht in Betrieb ist Ein zwischen den Widerständen 21, 22 liegender Punkt ist an die Kathode einer Zener-Diode 23 angeschlossen, deren Anode mit der Basis eines n-p-n-Transistors 25 verbunden ist, dessen Emitter an die Leitung 14 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 25 ist über einen Widerstand 26 an die Leitung 17 und ferner an die Basis eines n-p-n-Transistors 27 angeschlossen, dessen Kollektor wiederum über einen Widerstand 28 mit der Leitung 17 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 27 ist mit der Basis eines n-p-n-Leistungstransistors 29 verbunden. Der Emitter des Leistungstransistors 29 ist über einen Widerstand 24 an die Leitung 14 und sein Kollektor über die Feldwicklung 31 des Generators an die Leitung 17 angeschlossen. Eine Diode 32 liegt parallel zlt Feldwicklung 31. Der Kollektor des Leistungstransistors 29 ist ferner mit der Basis des Transistors 25 über einen Rückkopplungspfad verbunden, weicher in Reihe einen Widerstand 33 und einen Kondensator 34 enthält Ferner ist ein Gegenkopplungspfad vorgesehen, der von einem zwischen den Emitter des Leistungstransistors 29 und die Basis des Transistors 25 geschalteten Widerstand 30 gebildet wird.
Wenn im Betrieb — der Widerstand 30 wird im

is Augenblick außer acht gelassen — der Zündschalter 19 geschlossen wird, werden die Transistoren 27, 29 durch den über die Warnlampe 18 fließenden Strom eingeschaltet welche Lampe aufleuchtet Der volle Erregerstrom fließt jetzt in der Feldwicklung 31. Sobald der Generator 11 eine ausreichende Spannung liefert, steigt das Potential der Leitung 17 auf das der Leitung 13 an, so daß die Warnlampe 18 erlöscht obwohl die Transistoren 27,29 durch die Speisung über die Dioden 16 noch im Leitzustand gehalten werden.

Bei Erreichen einer vorbestimmten Spannung wird die Zener-Diode 23 leitend, und der sich ergebende Basis-Emitter-Strom im Transistor 25 bewirkt daß ein Kollektorstrom im Transistor 25 fließt. Wenn dieser Kollektorstrom einen vorbestimmten Wert erreicht, wird von dem durch den Widerstand 26 fließenden Strom ein ausreichender Teil durch den Transistor 25 umgeleitet um die Einleitung eines Schaltvorganges zu bewirken. Durch den Schaltvorgang wird der Transistor 25 in vollem Umfange leitend, und werden die

J5 Transistoren 27, 29 gesperrt, so daß kein Erregerstrom mehr fließt Der Rückkopplungspfad über die Widerstände 33 und 34 stellt sicher, daß die Schaltung rasch umschaltet von einem Zustand mit leitendem Transistor 25 und gesperrten Transistoren 27, 29 in einen zweiten Zustand, in dem die Transistoren 27,29 leitend sind und der Transistor 25 gesperrt ist Das Tastverhältnis wird durch den durch die Zener-Diode 23 fließenden Strom bestimmt, welcher wiederum von der Spannung der Batterie abhängt, und die Anordnung ist derart getroffen, daß der mittlere Stromfluß in der Feldwicklung 31 die Batteriespannung auf einem vorbestimmten Werthält.

Wie bereits erläutert worden ist ändert sich die Differenz zwischen den beiden vorbestimmten Spannungen abhängig vom Verstärkungsfaktor der Transistoren. Der Gegenkopplungspfad über den Widerstand 30 ist vorgesehen, um diese Differenz konstant zu halten, derart, daß der maximal zulässige Wert des Widerstandes der Leitungen für den Spannungsregler exakt festgelegt werden kann. Unter der Annahme, daß an der Zener-Diode 23 ein Durchbruch stattgefunden hat, kann dann, wenn der Leistungstransistor 29 nicht leitend ist über den Widerstand 21, die Zener-Diode 23, den Widerstand 30 und den Widerstand 24 Strom zur Leitung 14 fließen. Wenn der Leitungstransistor 29 leitend zu werden beginnt, steigt das Potential an seinem Emitter in Richtung auf das Potential der positiven Leitung 17 bzw. 13, so daß der Stromfluß durch den Widerstand 30 verringert wird. Folglich steigt das Potential an der Verbindungsstelle der Widerstände 21, 22 an, und dieser Potentialanstieg ist darauf gerichtet, den Erregerstrom zu verringern. Es ist leicht crsichtüchi deß b«?i dieser Anordnung der maximal

zulässige Widerstand der Leitungen proportional dem Produkt der Widerstandwerte der Widerstände 24, 21, dividiert durch den Wert des Widerstandes 30, ist.

Wenn es auch nicht primär beabsichtigt ist, so erbringt die Anordnung des Gegenkopplungswiderstandes 30 ferner einen Schutz des Systems gegen einen Ausfall des Leistungstransistors 29 für den Fall, daß es bei der Feldwicklung 31 zu einem Kurzschluß kommen sollte. In einem solchen Falle entsteht ein übergroßer Erregerstrom, und die Spannung am Emitter des Leistungstransistors 29 steigt an, bis sie einen Wert erreicht, bei dem sie den Transistor 25 einschalten und den Basisstrom vom Leistungstransistor 29 ableiten kann. Hierbei wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei welchem der StromfiuQ durch den Leistungstransistor 29 in einer zulässigen Stärke vorliegt Die Transistoren 25,29 sind bevorzugt in enger thermischer Berührung miteinander angeordnet, so daß die Wärmeentwicklung im Leistungstransistor 29 zu einem Temperaturanstieg beim Transistor 25 führt, wodurch dessen Basis-Emitter-Spannung verringert wird, was wiederum dazu führt, daß ein stärkerer Strom im Transistor 25 und damit also ein geringerer Strom im Leistungstransistor 29 fließt. Die Schaltung ist derart ausgelegt, daß ein Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei dem die Wärmeabgabe beim Leistungstransistor 29 in einer zulässigen Größe liegt.

Wenn die Temperatur der Batterie konstant wäre, würde die Schaltung in der bschriebenen Weise zufriedenstellend arbeiten. In der Praxis schwankt jedoch unvermeidbar die Temperatur der Batterie, weshalb eine Temperaturkompensation erforderlich ist. Normalerweise wird eine solche Temperaturkompensation durch Verwendung eines Thermistors erreicht, der parallel zum Widerstand 2t geschaltet wird, derart, dal eine abfallende Steuerspannung bei ansteigende! Temperatur erreicht wird. Wenn der Thermistoi weggelassen wird, liegt keine Temperaturkompensatior vor, und der Spannungsregler ist in seinem Arbeitsver halten unbefriedigend. Bei der dargestellten Schaltung wird eine Temperaturkompensation ohne Verwendung eines Thermistors erreicht, sofern die Größen dei verschiedenen Bauteile richtig gewählt sind. Dei

ίο Transistor 25 besitzt eine solche Kennlinie, daß be einem bestimmten Kollektorstrom die Basis-Emitter Spannung, die zur Aufrechterhaltung des Kollektorstro mes erforderlich ist, mit der Temperatur abnimmt D: die Regelung bei einem vorbestimmten Kollektorstrorr beginnt, kann dafür gesorgt werden, daß die Ausgangs spannung des Generators sich verringert, wenn die Temperatur des Transistors 25 ansteigt, und eine solche Regelung kann erreicht werden, sofern der Transistoi 25 auf Temperaturen anspricht, welche in ausreichenc enger Beziehung zur Temperatur der Batterie stehen. Ei wird jedoch bemerkt, daß zur Erzielung einer solcher Kompensation die Größe des Widerstandes 30, welchei zusätzlich zu seiner Gegenkopplungsfunktion die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 25 bestimmt sorgfältig in Abhängigkeit von der Größe de: Widerstandes 21 gewählt werden muß. Es konnte festgestellt werden, daß eine befriedigende Größe füi den Widerstand 30 gewählt werden kann, so daß dei Widerstand seine beiden Aufgaben zufriedenstellenc löst

Selbstverständlich hängen dir· elektrischen Größer beim Schaltungskreis von den speziellen Anwendung^ fällen ab. Im folgenden sei jedoch für ein 12-Volt-Systen angegeben:

Widerstand 21 1000 Ohm
Widerstand 22 3000 Ohm
Widerstand 24 .05 Ohm

Widerstand 26 1000 Ohm
Widerstand 28 80 Ohm
Widerstand 30 540 0hm
Widerstand 33 1000 Ohm

Zener-Diode 23-8 Volt Zündspannung
Transistor 25, 27-Lucas Type DT 16
Leistungstransistor 29-Lucas Type DT 32

Kondensator 34-10,000 Picofarad

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Emitter des Transistors 27 ebenfalls über einen Widerstand an die Leitung 14 angeschlossen werden, und kann der Emitter des Leistungstransistors 29 unmittelbar mit der Leitung 14 verbunden sein. Der Gegenkopplungswiderstand 30 steht mit der Basis des Leistungstransistors 29 in Verbindung statt mit dem Emitter. Bei dieser Anordnung wird die Gegenkopplung durch die Basis-Emitter-Kennlinie des Leistungstransistors 29 gesteuert, so daß der Emitter-Widerstand des Transistors 27 nicht kritisch ist und in bestimmten Anwendungsfällen weggelassen werden kann.

Zwischen der Basis des Transistors 27 und dem Kollektor des Transistors 25 kann ein Widerstand vorgesehen werden, welcher in Verbindung mit dem Transistor 25 eine Hochfrequenzstörung verhindert

Ein Kondensator kann zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 27 liegen, oder es können auch Kondensatoren zwischen den Basis- und Kollektorelektroden beider Transistoren 25, 27 vorgesehen werden.

Wenn auch beim speziellen Ausführungsbeispiel eir Spannungsregler vom Schaltertyp gezeigt ist, so kanr die Erfindung in einfacher Weise auch bei einer Spannungsregler vom Verstärkertyp angewendet wer

so den, indem man die Bauteile 33, 34 weglißt und die Schaltung derart auslegt und bemißt, daß der Leistungs transistor 29 als ein stetiger Verstärker arbeitet, wie zuvor beschrieben worden ist Die Erfindung ist aud nicht auf Spannungsregler begrenzt, bei denen n-p-n Transistoren verwendet sind, sondern ebenfall be Spannungsreglern zu realisieren, die aus p-n-p-Transi stören oder aus Kombinationen von n-p-n- unc p-n-p-Transistoren aufgebaut sind. Entsprechend dei zahlreichen Typen von Spannungsreglern, bei denen eil Leistungstransistor und ein Steuertransistor vorgesehei sind, können zahlreiche Abwandlungen gegenüber den speziellen Ausfuhrungsbeispiel vorgenommen werden wobei in allen Fallen die Vorteile der erfindungsgemaf vorgesehenen Gegenkopplung erreicht werden, unab

hingig davon, wie im einzelnen die Gegenkopplunj vorgenommen worden ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Spannungsregler für einen gleichstromerregten Generator zum Aufladen einer Kraftfahrzeugbatterie mit einem Leistungstransistor, zu dessen Emitter-Kollektor-Strecke die Feldwicklung des Generators in Reihe liegt und dessen Emitter Ober einen Widerstand an die eine Klemme des Generators und der Batterie angeschlossen ist, und mit einem Steuertransistor, der in Abhängigkeit von der Batteriespannung den Strom durch die Feldwicklung über den Leistungstransistor derart steuert, daß mit größer werdendem Strom im Steuertransistor der Strom im Leistungstransistor verringert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (29) und der Steuertransistor (25) über einen am Emitter des Leistungstransistors (29) und der Basis des Steuertransistors (25) angeschlossenen ohmschen Widerstand (30) gegengekoppelt sind.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (29) so gesteuert ist, daß er als stetiger Verstärker arbeitet

3. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Leistungstransistor (29) und dem Steuertransistor (25) eine Rückkopplung (33,34) vorgesehen ist, durch welche der Leistungstransistor (29) nach Art eines Schalters arbeitet

4. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Gegenkopplungswiderstandes (30) im Verhältnis zur Kennlinie des Steuertransistors (25) und zu den anderen Schaltungskenngrößen derart gewählt ist, daß die Batteriespannung, bei welcher die Regelung beginnt, sich mit der Temperatur in einer vorbestimmten, gewünschten Weise ändert.

5. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (29) und der Steuertransistor (25) in enger thermischer Berührung stehen.

6. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (29) mit dem Steuertransistor (25) über einen weiteren, als Verstärker arbeitenden Transistor (27) verbunden ist, der zu dem Leistungstransistor (29) als Emitter-Folger geschaltet ist.