DE1763349C3 - Spannungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spannungsregler zum Regeln der Ausgangsspannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators nach der Gattung des Hauptanspruches.

Die bekannten Anordnungen von Spannungsreglern halten die Ausgangsspannung des Generators auf einem vorgegebenen mittleren Wert. Kleine Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Spannmgswerten ergeben

■•ο sich laufend durch das Spiel des Reglers, der beim Ansteigen der zu regelnden Spannung über einen zulässigen Wert die Stromzufuhr zur Erregerwicklung unterbricht und sie beim Absinken der Spannung wieder herstellt. Verwendet man Halbleiter in einer Regleran-Ordnung, so ist es erwünscht, daß diese Halbleiter möglichst im Schalterbetrieb arbeiten, also entweder leitend oder nichtleitend sind. Dann ist nämlich mit den geringsten Leistungsverlusten in der Regleranordnung zu rechnen, und man kann kleinere Halbleiterelemente

5¹J und kleinere Kühleinrichtungen vorsehen. Der Regler soll daher möglichst empfindlich sein, also bereits auf möglichst kleine Abweichungen der zu regelnden Spannungen vom Sollwert nach oben oder unten mit Aus- oder Einschalten der Stromzufuhr zur Erregerwicklung antworten.

Aus diesem Grund sieht man zweckmäßigerweise als Spannungsfühler eine Anordnung vor, die eine von der zu regelnden Spannung nichtlinear abhängige Steuergröße abgibt, dergestalt, daß im Arbeitsbereich der

Regleranordnung die Änderung der Steuergröße ihre größte Änderungsgeschwindigkeit, bezogen auf die Änderung der zu regelnden Spannung, aufweist.

Den Gedanken als Spannungsfühler eine nichtlineare Spannungsteileranordnung vorzusehen, zeigt bereits die

i>5 DE-AS 10 95 924. Die aus dieser Auslegeschrift bekannte Regeleinrichtung ist jedoch wegen der erforderlichen zusätzlichen Spulen im Generator sehr aufwendig. Eine einfache und betriebssichere Bauform

zeigt die DE-AS 10 53 628; jedoch ist die dort gezeigte Ausführungsform weniger for die integrierte Schaltungsbauweise geeignet. Aus der US-PS 32 96 516 schließlich ist es bekannt, in einem Spannungsteiler einen spannungsabhängigen Widerstand vorzusehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Spannungsregler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs werden die Nachteile der herkömmlichen Spannungsregler durch eine besondere Ausbildung des Spannungsfühlers und des Verstärkers verringert und gleichzeitig die Eigenschaften der Technik integrierter Schaltungen vorteilhaft ausgenutzt. Die Abweichungen der zu regelnden Generatorausgangsspannung von einem Sollwert können besonders klein gehalten werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung möglich. Die vorliegende Erfindung schafft auf diese Weise einen Spannungsregler, der insbesondere im Hinblick auf eine mindestens teilweise Gestaltung in integrierter Schaltkreistechnik gegenüber bisherigen Spannungsreglern Vorteile aufweist. So ist der Spannungsteil α einerseits mit sehr einfachen Mitteln aufgebaut, hat andererseits aber vorzügliche Eigenschaften in Hinsicht auf Temperaturgang und Spannungsempfindlichkeit. Wegen der vorteilhaften Schaltungsanordnung kann der Regler mit geringem technologischem Aufwand gefertigt sowie ein als integrierter Schaltkreis verwendetes Halbleiter-Chip durch Verteilen von an sich diskreten Widerständen auf die Bahnwiderstände der Halbleiterelemente gut ausgenutzt werden.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Spannungsreglers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Wirkschaltplan des Spannungsreglers,

F i g. 3 ein Schaubild des Verlaufs der Potentiale an Abgriffen des Spannungsteilers in Abhängigkeit vom Wert der zu regelnden Spannung, und

Fig.4 Einzelheiten zu Fig.2, nämlich Beispiele für besondere Ausgestaltungen des Spannungsteilerpaars.

Im Blockschaltbild nach F i g. 1 ist an einen Drehstromgenerator 11 ein Gleichrichtersatz 12 angeschlossen, über den eine Batterie 13 aufgeladen wird. Mit dem Gleichrichtersatz 12 ist auch ein Spannungsteilerpaar 15,16 verbunden. Von den Abgriffen dieses Spannungsteilerpaars führen Leitungen zu einem Differenzverstärker 14, dessen Ausgänge symmetrisch mit den Eingängen eines Vorverstärkers 17 belastet sind. Ein Schaltverstärker 18 wirkt, gesteuert durch den Vorverstärker 17, auf die Erregerwicklung des Generators 11; gleichzeitig sorgt eine Rückkopplung 10 auf den zweiten Spannungsteilerzweig 15 für ein gutes Kippverhalten der Spannungsregleranordnung. Differenzverstärker 14, Vorverstärker 17 und Schaltverstärker 18 bilden zusammen einen Verstärker 19.

F i g. 2 zeigt die im Stern geschalteten drei Ständerwicklungen 21 bis 23 des Drehstromgenerators 11, die über die zur Gleichrichtereinheit 12 gehörenden Gleichrichter 31 bis 33 mit einer gemeinsamen, an Masse angeschlossenen Minusleitung 20 und über drei Gleichrichter 34 bis 36 mit einer ersten Plusleitung 28 in Verbindung stehen. Die Gleichrichter 31 bis 36 sind also als Dreiphasen-Brückengleichrichter 12 geschaltet. Zwischen den Leitungen 28 und 20 liegt die Batterie 13.

Direkt an die StäirJerwicklungen 21 bis 23 angeschlossen sind drei zusätzliche Gleichrichter 37 bis 39.

die jeweils mit ihrer Kathode zu einer gemeinsameil zweiten Plusleitung 29 führen. Zwischen den Leitungen 29 und 28 liegt eine Ladekontrollampe 26 in Serie mit einem Zündschalter 27.

Eine Erregerwicklung 24, zu der eine Löschdiode 25 parallelgeschaltet ist, liegt mit dem einen Ende an der zweiten Plusleitung 29 und mit dem anderen Ende an einem Verbindungspunkt 89 des Verstärkers 19. An den Verbindungspunkt 89 angeschlossen ist der Kollektor

ίο eines als Halbleiterschalter dienenden npn-Transistors 41, dessen Emitter an die Minusleitung 20 führt, und der Kollektor eines npn-Treibertransistors 42, dessen Emitter einerseits an die Basis des Transistors 41, andererseits über einen Widerstand 71 ebenfalls an die Minusleitung 20 führt. Die Basis des Treibertransistors 42 liegt über einen Widerstand 78 an der Minusleitung 20 und über einen Widerstand 76 am Kollektor eines pnp-Transistors 46 des Vorverstärkers. Zwischen dem Emitter des pnp-Transistors 46 und dem Emitter eines npn-Transistors 47 des Vorverrtärkers liegt ein Widerstand 77; der Kollektor des npn-Transistors 47 ist an die zweite Plusleitung 29 angeschlossen. Die Basis des pnp-Transistors 46 führt einerseits über einen Widerstand 74 an die zweite Plusleitung 29 und andererseits an den Kollektor eines ersten npn-Transistors 44 des Differenzverstärkers, die Basis des npn-Transistors 47 einerseits über einen Widerstand 73 an die zweite Plusleitung 29 und andererseits an den Kollektor eines zweiten npn-'fnmsistors 43 des Differenzverstärkers. Die beiden Emitter der Differenzverstärker-Transistoren 43 und 44 sind miteinander verbunden und liegen am Kollektor eines als Konstantstromquelle dienenden npn-Transistors 45, dessen Emitter über einen Widerstand 75 zur Minusleitung 20 führt.

An der Minusleitung 20 liegt — über den Anschlußpunkt 84 des ersten Spannungsteilerzweigs 16 — die Anode einer Referenzdiode 63, deren Kathode über einen Anschlußpunkt 83 mit der Basis des Transistors 45

■ίο der Konstantstromquefle und über einen Widerstand 62 nit einem Anschlußpunkt 82 und mit der Basis des Transistors 44 des Differenzverstärkers verbunden ist. Zwischen dem Anschlußpunkt 82 und einem mit der zweiten Plusleitung 29 verbundenen Anschlußpunkt 81 liegt ein Widerstand 61. Ein Anschlußpunkt 85 des zweiten Spannungsteilerzweigs 15 ist ebenfalls an die zweite Plusleitung 29 angeschlossen. Am Anschlußpunkt 85 liegt das eine Ende eines Siebwiderstands 51, dessen anderes Ende sowohl mit einem an der

so Masseleitung 20 liegenden Kondensator 55 als auch mit einem Widerstand 52 verbunden ist, dessen anderes Ende seinerseits an die Kathode einer Referenzdiode 53 angeschlossen ist. Die Anode der Referenzdiode 53 ist über einen Anschlußpunkt 86 mit der Basis des ersten Transistors 43 des Differenzverstärker*, und mit dem einen Ende eines Widerstands 54 verbunden. Das andere Ende des Widerstands 54 führt an einen Anschlußpunkt 87 und über einen Widerstand 56 an einen mit der Masseleitung 20 verbundenen Anschlußpunkt88.

Zwischen dem Anschlußpunkt 87 des ersten Spannungsteilers und dem Anschlußpunkt 89 des Verstärkers liegt ein Rückkopplungswiderstand 72.

In Fig.3 ist schematisch der Verlauf der Potentiale

tv> an den Anschlußpunkteii 86 beziehungsweise 82 des Spannungsteilerpaars 15, 16 dargestellt. Die Kurve U ι gibt angenähert den Potentialverlauf am Anschlußpunkt 82 in Abhängigkeit vom Wert des am Anschlußpunkt 81

zur Verfügung stehenden Potentials Ui. an: die Kurve U2 gibt entsprechend angenähert den Potentialverlauf am AnschluOpunkt 86 in Abhängigkeit vom Potential Ui. am Punkt 85 an. Die Kurve U₁ ist die Darstellung der Differenz. U₂-U₁. Steigt die Spannung Ui vom Wert ί Null aus an. dann steigt die Spannung U ι am AnschluOpunkt 82 des Spannungsteilers 16 zunächst im gleichen MaO an. was durch das Kurvenstück 91 dargestellt ist. Dabei ist von Strömen abgesehen, die bei den AnschluOpunkten 82 und 83 aus dem Spannungstei- in ler Ifi flieOen Die .Spannung II] steigt solange, bis der Diirehbruchsspannungswert U/\ der Referenzdiode 63 •-•rrcicht ist Steigt Ui weiter an. dann bleibt /<Ί. wie das kurvenstück 92 zeigt, im wesentlichen konstant Anders verhall sich die am AnschluOpunkt 86des Spannungstei- '· lers 16 abgegriffene Spannung I '>. Hei niederen Werten \ι·η I ι ist die Referenzdiode 53 nichtleitend, so dall {'_> im wesentlichen den Wert Null behalt. Die Spannung Der eigentliche Spannungsregler nach Fig. 2, bestehend aus dem Verstärker 19 und dem Spannungsteilerpaar 15,16, arbeitet wie folgt:

Das Spannungsteilerpaar 15, 16 enthält als nichtlineare Glieder die Referenzdioden 53 und 63. Die Spannung U \ zwischen den AnschluDpunkten 82 und 84 des Spannungsteilerzweigs 16 ist also — wie F i g. 3 zeigt— eine nichtlineare Funktion der zwischen den AnschluOpunkten 81 und 84 anliegenden zu regelnden Spannung Ui. und die Spannung U 2 zwischen den AnschluOpunkten 86 und 88 des Spannungsteilerzweigs 15 eine nichtlineare Funktion derselben Spannung /'/. die /wischen den AnschluUpunkten 85 und 88 anliegt.

Zunächst sei die zu regelnde Spannung /// klein. Die Referenzdiode 51 im Spanniingsteiler/weig 15 isi nichtleitend, das Potential am Anschlußpunkt 86 entsprechend dem Kurvenstück 93 in F 1 g. 4 nahe Null. Der Transistor 4} im Differenzverstärker 17 ist also

[.!■si wenn /'; ilen Durchbruchsspannungswert ///:der .'" Referenzdiode 53 überschreitet, steigt die Spannung ί' < entsprechend dem Kurvenstück 94 im wesentlichen mit dem Pruportionalitätsfaktor Hins mit der Spannung f/; .m. Die kurvenstucke 92 und 94 schließen den Winkel \ em .'"

I m die Wirkungsweise des Spannungsreglers nach 1 ι:. 2 zu erklaren, sei zunächst die Spannungserzeugung mit Hilfe des Generators 11 geschildert:

Der Läufer des Generators Il ist mit einer in F i g. 2 fleht dargestellten Verbrennungsmaschine gekuppelt, e Beim Anlassen dieser Maschine wird auch der Zündschalter 27 geschlossen. Während des Anlassens und hei niederen Drehzahlen erzeugen die Ständerwick- !'ingen 21 bis 23 zunächst noch keine nennenswerte Spannung, so daß vom Pluspolder Batterie 13 über den s Zündschalter 27 und die Ladekontrollampe 26 — die ,!.mn aufleuchtet — ein Strom durch die Erregerwicklung 24 und den als Halbleiterschalter dienenden I r.insistor 41 — der leitend ist — zurück zum Minuspol 20 ;er Batterie fließt. Der Erregerstrom erregt nun die " v.i.-iderw ickliingen 21 bis 23. und die von ihnen erzeugte Wechselspannung wird in der Gleichrichtereinheit 12 i:'e.i.hgeriehtct. so daß die an den Plusleitungen 28 und 29 '"estsiellbaren Potentiale ansteigen. DerGenerator 11 . -.',iirg· sich bei ausreichender Läuferdrehzahl über die ^! G.eichrichier 37 bis 39 selbst mit Erregerstrom, die L.idekontrollampe erlischt. Die Batterie 13 wird durch den über die Gleichrichter 31 bis 36 fließenden i ..idestrom aufgeladen.

Durch den Selbsterregiingsvorgang steigt die erzeug- "' ^;e l.adespannung weiter an. Beim Erreichen eines vorgegebenen zulässigen Höchs;werts wird über den Verstärker 19 der Halbleiterschalter 41, 42 ausgeschaltet. Der Erregerstrom kann nicht mehr zum Minuspol 20 des Generators fließen und nimmt daher seinen Weg "> .;ber die Löschdiode 25. Hauptsächlich wegen der ohmschen Widerstände der Erregerwicklung 24 geht eier im Stromkreis durch die Erregerwicklung 24 und die Diode 25 fließende Erregerstrom gleichförmig zurück. In den Ständerwicklungen 21 bis 23 wird eine kleinere Spannung erzeugt, und die Ladespannung nimmt ab. Beim Erreichen eines vorgegebenen Mindestwerts wird der Transistor 41 im Verstärker 19 wieder leitend, es fließt ,jufs neue ein Strom durch die Erregerwicklung 24. die mit den .Ständerwicklungen 21 bis 23 erzeugte · Ladespannung steigt wieder an. Dieses Spiel wiederholt sich fortlaufend, und zwar etwa fünfzig- bis zweihundertmai in der Sekunde.

82 des .Spannungsreglerzweigs 16 im wesentlichen so hoch wie das Potential am Anschlußpunkt 81, denn die Referenzdiode 63 ist ebenfalls nichtleitend, und deshalb ist der Differenzverstärkertransistor 44 leitend. Über den Widerstand 74 fließt ein Strom, die am Widerstand 74 auftretende Spannung macht die beiden Vorverstärkertransistoren 46 und 47 leitend — denn die Basis des Vi.rversiärkertransistors 47 liegt über den Widerstand 73 im we entliehen auf dem Potential der Leitung 29 —. und es fließt ein Strom durch die Widerstände 76 und 78. Die über dem Widerstand 78 abfallende Spannung bringt ilen Treibertransistor 42 und dieser den .Schaltertransistor 41 in den leitfähigen Zustand.

Damit wird der Erregerstrom eingeschaltet und die zu regelnde Spannung l'i steigt an. Von dem Augenblick an. da IJ/ den Wert ί -1 erreicht, bleibt das Potential am Anschlußpunkt 83 in erster Näherung konstant, die Konstantstromquelle mit dem Transistor 45 ist im normalen Betriebszustand. Das Potential am Anschlußpunkt 86 bleibt weiter nahe Nuil; desialb bleibt der Transistor 43 nach wie vor gesperrt und durch die Vorstufentransistoren 46 und 47 fließt der Strom, der den Halbleiterschalter 41, 42 eingeschaltet hält. Wenn die Spannung (Aden Wert U/ > überschreitet, steigt das Potential am Anschlußpunkt 86 entsprechend dem Kurvenstück 94 in Fig.4 an: die Spannung Ui ist vorläufig aber noch klein im Verhältnis zur Spannung U]. die Differenzspannung Ui stark noch stark negativ, der Halbleiterschalter 41, 42 bleibt daher weiterhin leitend. Wegen des Spannungsabfalls am Widerstand 62 nimmt die Spannung U1 mittlerweile geringfügig zu.

In dem Augenblick, da die Spannung Ul den We·; Ui (Fig. 3) erreicht, sind die beiden Spannungen U\ und U 2 gleich groß, die Differenzspannung U3 ist Null. Die Differenzverstärkertransistoren 43 und 44 sind beide leitend: die Basen der Vorverstärkertransistoren 46 und 47 haben beide das gleiche Potential, und da ihre Emitter miteinander verbunden sind, sind damit beide nichtleitend. Es fließt kein Basisstrom mehr durch den Widerstand 76 in den Treibertransistor 42. der Schaltertransistor 41 ist also nichtleitend, und die Erregerstromzufuhr ist abgeschaltet. Tatsächlich wird der Abschaltvorgang schon vor Erreichen des Werts Ut eingeleitet vor allem deshalb, weil die Vorverstärkertransistoren 46 und 47 wie alle Transistoren beide eine Mindest-Basis-Emitter-Spannung benötigen, um einen Kollektorstrom führen zu können.

Solange der Halbleiterschalter 41, 42 leitend war, lag der Rückkopplungswiderstand 72 im wesentlichen

parallel zu dem Teilwidersland 56 des Spannungsteilerzweigs 13, also mit einem Ende nahezu auf Nullpotential. letzt, da dieser Halbleiterschalter nichtleitend ist, liegt das eine Ende des Widerstands 72 über die Löschdiode 23 und die Erregerwicklung 24 an der zu regelnden Spannung L)₁, Das Potential am Anschlußpunkt 87 und damil mittelbar die Spannung U2 wird also durch den AbscfiäUvorgang über den Rückkopplungswiderstand 72 weiter erhöht: diese Schaltungsmaßnahme beschleunigt den Schaltvorgang wesentlich. Der Rückkopplungswiderstand 72 könnte auch am Anschlußpunkt 86 und damit direkt an dem einen Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen werden; auch aus technologischen Gründen ist es aber unter Umständen günstiger, ihn mit einer Anzapfung des zwischen den Anschlußptinkten 86 und 88 liegenden Widerstandsteils zu verbinden.

Nachdem der Halbleiterschalter 41, 42 nichtleitend geworden ist. nimmt der fcrregerstrom in der schon geschilderten Weise ab. Die Spannung Ui sinkt, bis der Wert von Ll2 soweit unter dem von lh liegt, daß der Differenzverstärkertransistor 43 zu wenig Kollektorstrom erhält, um die Vorverstärkertransistoren 46, 47 gesperrt zu halten. Der nun einsetzende Strom durch den Widerstand 76 in die Basis des Treibertransistors 42 schließt den Halbleiterschalter 41, 42, und durch die Erregerwicklung 24 kann wieder ein Strom fließen. Auch dieser Schaltvorgang erfährt durch den Rückkopplungswiderstand 72 eine Beschleunigung: Mit dem l.eitendwerden der Transistoren 41 und 42 wird der Widerstand 72 einseitig vom Ladespannungspotential nahezu an Nullpotential gelegt, was das Kleinerwerden der Spannung //2 und damit das Anwachsen des Basisstroms in den Treibertransistoren 42 unterstützt. Infolge des eben geschilderten Schaltvorgangs beginnt die zu regelnde Spannung U/ wieder anzusteigen, das Regelspiel wiederholt sich.

Die Erregerwicklung 24 besteht aus zahlreichen Windungen einer auf den Läufer aufgebrachten Drahtwicklung. Die gesamte Erregerwicklung 24 weist eine bestimmte meßbare Induktivität auf. Andererseits haben die einzelnen Windungen gegeneinander eine Basisstroms die sich über der gesamten Erregerwicklung 24 zu einer meßbaren Größe aufsummiert. Außerdem ist noch von einer Schaltkapazität zu sprechen, die beispielsweise die von der Erregerwicklung 24 über den Anschlußpunkt 89 zum Verstärker 19 führende Leitung aufweist. Alle diese Kapazitäten und die hauptsächlich in der Erregerwicklung 24 konzentrierte Induktivität bilden ein schwingfähiges Gebilde.

Die Spannungsregleranordnung stellt nun in ihrer Gesamtheit einen Zweipunkt-Regelkreis mit einer Taktfrequenz zwischen 20 und 500 Hz dar. Der Regler ist mit mehreren Transistorstufen hoher Verstärkung aufgebaut, und so besteht die Gefahr, daß sich im Regelkreis wilde Schwingungen aufschaukeln, und zwar während der Zeit, in der der Halbleiterschalter 41, 42 vom leitenden in den nichtleitenden Zustand übergeht und umgekehrt. Frequenzbestimmend ist in diesem Fall im wesentlichen der Schwingkreis, den — wie geschildert — die Erregerwicklungsinduktivität zusammen mit den Wicklungs- und Schaltkapazitäten bildet. Die Werte der Induktivität und der Kapazitäten liegen so, daß die Frequenz der möglichen wilden Schwingung groß ist im Vergleich zu der Taktfrequenz. Die Verhinderung derartiger Schwingungen gelingt mit Hilfe eines besonderen Transistors 46, der einen von der Frequenz abhängigen Verstärkungsfaktor aufweist, der insbesondere bei höheren Frequenzen kleiner ist als bei niedrigeren.

Fig.4 zeigt Beispiele für besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Spannungsteilerpaars 13, 16. Die zu regelnde Spannung Ui. läßt sich mit dem Spannungsregler um so leichter auf einem vorgegebenen Wert halten - die Rcgclgenauigkeil ist also um so höher —, je größer der Sihnittwinkel zwischen den Kurvenstükken 92 und 94 in F i g. 3 ist. Ist das Spannungsteilerpaar 15, 16 ausschließlich mit ohmschen Widerständen und Malbleiterclementen mit Diodencharakteristik aufgebaut — was sich auf besonders einfache Weise in der integrierten Schaltungsbauweise verwirklichen läßt —, so ist theoretisch ein maximaler Schnittwinkcl von λ = 45" erreichbar, wenn das Spannungsleilerpaar durch die weitere Schaltungsanordnung nicht belastet ist. Im allgemeinen Fall ist der Schnittwinkel jedoch kleiner, auch weil besondere Anforderungen an die Temperaturabhängigkeit gestellt werden.

Die besonderen Ausgestaltungen des Spannungs· tcilerpaars 15, 16 in Fig.4 haben mit dem ersten in F i g. 2 gezeigten Beispiel gemeinsam, daß der zwischen den Anschlußpunkten 85 und 86 liegende Zweig wie auch der zwischen den Anschlußpunkten 82 und 84 liegende Zweig als wesentlichen Bestandteil ein Spannungsrefercnzelement 53 bzw. 63 aufweist. Die Spannungsieilcrzweige zwischen den Anschlußpunkten 86 und 88 sowie zwischen den Anschlußpunkten 81 und 82 enthalten als im wesentlichen wirksames Teil einen ohmschen Widerstand 54, 56 bzw. 61. Die weiteren Schaltelemente dienen dazu, für einen verlangten Temperaturkoeffizienten des Spannungsreglers den Schnittwinkel zwischen dem jeweiligen Verlauf der beiden Teilerspannungen U \ und i/2 möglichst groß zu machen.

In Fig.4 zeigen die Beispiele a) bis d) Schaltungsmöglichkeiten für den Spannungsteilerzweig 16. Das Beispiel a) enthält drei Dioden 163, 165, 166 und drei ohmsche Widerstände 161, 162, 164. Das Beispiel b) zeigt ebenfalls drei Dioden 262 bis 264 und zwe^; ohmsche Widerstände 261 und 265. Das Beispiel c) enthält eine Anordnung mit vier Dioden 362 bis 365 und einem ohmschen Widerstand 361. Das Beispiel d) schließlich zeigt eine Schaltungsart mit zwei in Durchlaßrichtung geschalteten Dioden 463,464. einer in Sperrichtung geschalteten Diode 462 mit Spannungsdurchbruchscharakteristik und mit einem ohmschen Widerstand 461. Wie ersichtlich, ist in allen vier Fällen der Zweig zwischen den Anschlüssen 81 und 82 als ohmscher Widerstand und der Zweig zwischen den Anschlüssen 82 und 84 als spannungsabhängiger Widerstand ausgebildet.

Die Beispiele e), f) und g) der Fig.4 zeigen Schaltungsmöglichkeiten für den Spannungsteiler 15.

Das Beispiel e) zeigt fünf Widerstände 151, 152, 154, 156, 157, einen Siebkondensator 155 und eine in Sperrichtung geschaltete Diode 15.3 mit Spannungsdurchbruchscharakteristik. Das Beispiel f) enthält eine Schaltung mit vier Widerständen 251, 252, 254, 256,

f>o einer in Sperrichtung geschalteten Diode 253 mit Spannungsdurchbruchscharakteristik, und einem Siebkondensator 255. Das Beispiel g) zeigt eine Schaltung mit zwei Widerständen 354, 356, einer in Durchlaßrichtung geschalteten Diode 351 und einer in Sperrichtung geschalteten Diode 353 mit Spannungsdurchbruchscharakteristik (Zenerdiode). Wie man sieht, sind in allen drei Beispielen e), f) und g) die Zweige zwischen den Anschlüssen 86, 87 und 88 als ohmsche Widerstände

ausgebildet, während der Zweig zwischen den Anschlüssen 85 und 86 als spannungsabhängiger Widerstand (Zenerdiode) ausgebildet ist. Der Siebkondensator 135 bzw. 25!t liegt bei den beiden Beispielen e) und f) zwischen dem Anschluß 88 und einem Punkt des Widerstandsnetzwerks zwischen den Anschlüssen 85 und 86. Man erhält so eine optimale Siebung, ohne die Wirkung des RfU&kopplungswiderstands 72 zu stören. Auch benötigt man so nur einen kleinen Siebkondensator, was bei einer integrierten Schaltung besonders erwünscht ist. Selbstverständlich kann bei der Regelung eines Gleichstromgenerators ein solcher Siebkondensator entbehrt werden.

Im folgenden sind weitere Erwägungen, die zu der Lösung der gestellten Aufgabe führten, und einzelne vorteilhafte Anordnungen, die der erfindungsgemäße Spannungsregler enthält, geschildert.

Damit die günstigen Eigenschaften des Differenzverstärkers 43, 44 nicht verloren gehen, darf er nicht unsymmetrisch belastet werden, was der Fall wäre, wenn der Eingang des Halbleiterschalters 41, 42 direkt mit einem der beiden Ausgänge des Differenzverstärkers 43, 44 verbunden wäre. Aus diesem Grund ist zwischen den Ausgängen des Differenzverstärkers und dem den Erregerstrom steuernden Halbleiterschalter ein Vorverstärker angeordnet, der zwei symmetrische, einzeln mit den beiden Ausgängen des Differenzverstärkers gekoppelte Eingänge aufweist. Dieser Vorverstärker 46, 47 besitzt also einen Gegentakt-Eingang und einen Eintakt-Ausgang. Der Vorverstärker ist zweckmäßigerweise mit einem komplementären Transistorpärchen 46 und 47 ausgebildet, was einen besonders einfachen Aufbau und die geforderten vorteilhaften Eigenschaften der Schaltungsanordnung ermöglicht.

Bei geeigneter Bemessung sind die Eingangswiderstände und die Verstärkung des Differenzverstärkers 41, 42 groß, so daß nur kleine Basis- und Kollektorströme erforderlich sind. Die Basis des Transistors 45 erhält von der Referenzdiode 63 her ein festes Potential, so daß dieser als Konstantstromquelle wirkt.

Der Gegenkopplungswiderstand 77 im Vorverstärker erhöht die Stabilität der Kegleranordnung, beeinflußt aber ihr Hystereseverhalten; er ist nicht unbedingt erforderlich. Der Widerstand 76 begrenzt den Basisstrom des Treibertransistors 42 auf den zulässigen Wert. Die Widerstände 76 und 77 können in der integrierten Schaltungsanordnung vorteilhafterweise durch die Bahnwiderstände der zugehörigen Transistoren 46 und 47 dargestellt werden. Der Widerstand 78 dient in bekannter Weise dazu, die Basis des Treibertransistors 42 im nichtleitenden Zustand auf das Potential Null zu bringen.

Von großem Vorteil für die Funktion der Spannungs

regleranordnung ^:st die Tatsache, daß die Werte der Kollektor-Emitter-Restspannungen der beiden Vorverstärkertransistoren 46 und 47, die den Basisstrom für den Treibertransistor 42 führen, keinen nachteiligen Einfluß auf die Eigenschaften der Regleranordnung haben, so daß besonders in integrierten Schaltungen mindestens insoweit für die Spannungsregleranordnung nur ein geringer schaltungstechnischer Aufwand getrieben werden muß.

ίο Die Verstärkung im Regelkreis ist infolge der verwendeten Baugruppen — Differenz- und Vorverstärker — so hoch, daß die Hysterese, das heißt der Abstand der /um Einschalten und Ausschalten des Erregerstroms erforderlichen Werte der zu regelnden Spannung Ui, sehr klein ist, der Regler also schon mit kleinen Änderungen der Differenzspannung Uj voll durchgesteuert wird. Außerdem ist bekanntlich die Wirkungsweise des Differenzverstärkers 43,44 in einem weiten Bereich vom Absolutwert der Spannungen U \ und U2 an seinen Eingängen nahezu unabhängig, nur die Differenz zwischen U\ und Ui ist maßgebend. Das bedeutet, daß die Höhe und die Temperaturabhängigkeit der zu regelnden Spannung fast ausschließlich von den Eigenschaften des Spannungsteilerpaars 15, 16

-""· bestimmt werden, das zudem wegen der genannten Eigenschaften des Differenzverstärkers besonders einfach aufgebaut ist.

Das aus dem Widerstand 51 und dem Kondensator 55 bestehende Siebglied im Spannungsteilerzweig 15

i" dämpft die Spannungssprünge, die beim Regelspiel auftreten und wegen der nichtlinearen Charakteristik der Referenzdiode 53 praktisch voll weitergegeben würden. Im Spannungsteilerzweig 16 ist ein solches Siebglied nicht nötig, da die Referenzdiode 63 die ■ Spannungssprünge im wesentlichen auffängt. Man benötigt daher nur einen Kondensator. Die Referenzdiode 63 im Spannungsteilerzweig 16 hat eine zweifache Aufgabe: einmal stellt sie die Bezugsspannung für die Basis des Konstantstromquellen-Transistors 45 zur

'■' Verfügung, zum anderen bildet sie zusammen mit dem Widerstand 62 die Bezugspannungsquelle füt die Basis des Differenzverstärkertransistors 44. Der Widerstand 62 überbrückt den aus der Basis-Kollektor-Spannung des Transistors 45 und der Emitter-Basis-Spannung des

ι · Transistors 44 zusammengesetzten Potentialunterschied der beiden genannten Basen.

Der aus dem Differenzverstärker 43, 44 mit der Konstantstromquelle 45, dem Vorverstärker 46, 47 und dem Spannungsteiler 15, 16 bestehende Teil der

·" Regleranordnung ist auch zum Ansteuern eines pnp-Halbleiterschalters geeignet. In diesem Fall erfolgt die Auskopplung am Kollektor des Vorverstärkertransistors 47.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

1. Patentansprüche;

   ), Spannungsregler zum Regeln der Ausgangsspannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere eines Drehstromgenerators, mit einer den Erregerstrom steuernden, mindestens einen Halbleiterschalter enthaltenden Leistungsstufe mit einem an die zu regelnde Ausgangsspannung angeschlossenen Paar von Spannungsteilern, deren Abgriffe mit den Eingängen eines die Leistungsstufe beeinflußenden Differenzverstärkers verbunden sind, wobei ein Spannungsteiler ein von der zu regelnden Ausgangsspannung abhängiges und ein Spannungsteiler ein von der Umgebungstemperatur abhängiges Teilerverhältnis aufweist und wobei das Paar von Spannungsteilern in Form einer Brückenschaltung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Spannungsteiler (15,16) einen spannungsabhängigen Widerstand (53, 63) und mindestens ein Zweig der Brücke (15,16) einen temperaturabhängigen Widerstand (62,63) enthält
2. 2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegende Zweige der Brücke (15, 16) je einen temperaturabhängigen Widerstand (62,63) enthalten.
3. 3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Spannungsteiler (16) zwischen einem Anschluß (82) des zugehörigen Differenzverstärkereingangs und einem Anschluß (81) der zu regelnden Spannung ein im wesentlichen temperatur- und gegebenenfalls spannungsunabhängigtr Widerstand (61) und zwischen dem Anschluß (82^ des zugehörigen Differenzverstärkereingangs und einen; anderen Anschluß (84) der zu regelnden Spannung ein von der anliegenden Teilspannung und der Umgebungstemperatur abhängiger Widerstandsteil (62, 63) angeordnet ist.
4. 4. Spannungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (82) und dem anderen Anschluß (84) der zu regelnden Spannung angeordnete Widerstandsteil als Netzwerk aus Halbleiterelementen mit Diodencharakteristik (63) und ohmschen Widerständen (62) ausgebildet ist.
5. 5. Spannungsregler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern des Differenzverstärkers (43,44) der zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (82) und dem anderen Anschluß (84) der zu regelnden Spannung angeordnete Widerstandsteil (62,63) einen Abgriff (83) aufweist.
6. 6. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Spannungsteiler (15) zwischen einem Anschluß (86) des zugehörigen Differenzverstärkereingangs und einem Anschluß (85) der zu regelnden Spannung ein von der anliegenden Teilspannung und gegebenenfalls der Umgebungstemperatur abhängiger Widerstandsteil (51„ 52, 53) und daß zwischen dem genannten Differenzverstärkeranschluß (86) und dem anderen Anschluß (88) der zu regelnden Spannung ein ohrnscher Widerstand (54,56) angeordnet ist.
7. /'. Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (86) und dem Anschluß (85) dei zu regelnden Spannung angeordnete Widerstandsteil (51, 52, 53) als Netzwerk aus Halbleiterelementen (53) mit Diodencharakteristik und ohmschen Widerständen (51,52) ausgebildet ist.
8. 8. Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern des Differenzverstärkers (43, 44) der zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (86) und dem anderen Anschluß (88) 'der zu regelnden Spannung angeordnete Widerstand (54,56) einen Abgriff (87) aufweist.
9. 9. Spannungsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk eine Siebschaltung (51, 52, 55) zum Glätten der geregelten Spannung aufweist
10. 10. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen des Differenzverstärkers (43,44) und dem Eingang der Leistungsstufe (42,41) ein Vorverstärker (46,47) angeordnet ist.
11. 11. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Spannungsteiler (16) Halbleiterelemente (63) mit Durchbruchscharakteristik vorgesehen sind, die gleichzeitig die Bezugsspannung für eine Konstantstromquelle (45), die in der Zuleitung zu dem Differenzverstärker (43, 44) angeordnet ist, und im wesentlichen die Bezugsspannung für den einen Eingang des Differenzverstärkers (43, 44) zur Verfügung steiles.