DE1816332A1

DE1816332A1 - Zweipoliges elektrisches Schaltelement

Info

Publication number: DE1816332A1
Application number: DE19681816332
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Klaus Christ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1968-12-21
Filing date: 1968-12-21
Publication date: 1970-07-02
Also published as: FR2026816A1; ES374758A1

Description

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19. 12. 1968 .

Anlage zur Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart W. Breitscheidstraße 4 Zweipoliges elektrisches Schaltelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein zweipoliges elektrisches Schaltele- ; ment mit von einem äußeren Schaltkreis abhängigen Kennwerten und betrifft insbesondere ein Element, das beispielsweise bei einem Ansteigen einer zu regelnden Spannung über einen zugelassenen Höchstwert seinen Widerstand bleibend verändert.

Zum Schutz von Stromkreisen vor Überlastungen; insbesondere von Strömen und Spannungen, die einen vorgeschriebenen Höchstwert übersteigen, sind Sicherungeelemente bekannt, dia den zn s©M!ts@nden Stromkreis öffnen und " so den Yerteauohsr vor Sehäden feewataefö* Im ©Isfaclisten Fall finden daftts? SuhmelseiohexvaigQii Vesraeradung-g ab©2? au©fe SoliaXtsafoützs ©ies a

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lern von Lichtmaschinen, insbesondere von Drehstrom-Lichtmaschinen und- - von Fahrzeugbatterien, sind jedoch solche Sicherungselemente nicht geeignet. Das hat folgenden Grunds

Die bekannten Anordnungen von Spannungsreglern halten die Ausgangsspannung der Lichtmaschine auf einem vorgegebenen mittleren Wert, kleine Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Spannungswerten ergeben sich laufend durch das Spiel des Reglers, der beim Ansteigen der zu regelnden 'Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen oberen Grenzwert die Stromzufuhr zur Erregerwicklung unterbricht und sie beim Absinken der Spannung unter einen unteren Grenzwert wieder herstellt (Zweipunktregler). Unterbricht die Regleranordnung infolge eines Fehlers den Erregerstrom nicht, wenn die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung den oberen Grenzwert erreicht hat, dann steigt diese Spannung entsprechend der Läuferdrehzahl weiter an, und zwar bis zu unzulässig hohen Werten. Diese Gefahr besteht vor allem bei Reglern, die zum Steuern des Erregerstroms einen steuerbaren Halbleiter verwenden, beispielsweise einen Transistor, da hier immer mit einem gewissen Anteil von fehlerhaften Halbleitern gerechnet werden muß;

diese werden dabei durch das Durchlegieren ihrer Emitter-Kollektor-Strecken ständig leitend.

Steigt die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen zulässigen Höchstwert, dann besteht die Gefahr, daß die Fäden der Fahrzeuglampen durchbrennen, daß die Fahrzeugbatterie überladen wird und daß die Batterieflüssigkeit verdampft. Die Folgeschäden nach einem Defekt im Spannungsregler können also erheblich sein.

„Sicherungsvorrichtungen, die auf einen Überstrom reagieren» eind in

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diesem Pall ungeeignet, denn die Differenz zwischen dem im Normalfall fließenden Strom und dem Strom, der bei Überspannung fließt, ist zu gering, um ein Sicherungselement funktionssicher zu steuern. Bekannt für diesen Fall sind Anordnungen, die zum Vermeiden der obengenannten Schaden im Gefahrenfall den Erregerstrom beispielsweise mit Hilfe eines Überspannungsrelais abschalten; diese mechanischen Anordnungen sind jedoch selbst störanfällig und für viele Anwendungsfälle zu groß und dazu teuer.Man hat deshalb-nach Sicherungsvorrichtungen gesucht, die bei Überspannung die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung kurzschließen und damit auch den Erreger-"strom zum Versiegen bringen. Eine schon bekannte Schaltungsanordnung mit einem Thyristor erfordert aber sehr viele einzelne Schaltelemente und nimmt sehr viel Raum in Anspruch.

.Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die mit geringem Aufwand und mit einem selbst nicht störanfälligen Schaltmittel e^uen Kurzschluß zwischen ihren Anschlußklemmen herstellt, sobald die an die^e*. Anschlußklemmen liegende Spannung einen zugelassenen Höchstwe? r. überstei,gt_s

Eine einfache und wirkungsvolle Lösung dieser Aufgabe wird bei einem ein- _ gange erwähnten Schaltelement dadurch erreicht, daß es ein bipolares Transistorelement enthält, im regulären Betriebszustand einen hohen Innenwiderstand aufweist und bei einer an seinen Anschlußklemmen anliegenden, über einem vorgegebenen Wert liegenden Spannung seinen Innenwiderstand in Richtung auf einen kleineren Wert durch Wärmeentwicklung bleibend verändert.

Sie gewünschte Wirkung läßt sich besonders vorteilhaft erzielen, wenn in weiterer Auegestaltung der Erfindung die Schaltstrecke das Transistorele»

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ments zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme angeordnet und wenn zwischen einer Anschlußklemme und dem Steueranschluß des Transistorelements ein Widerstandselement angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, das die Verwendung eines zweipoligen Schaltelemente nach der Erfindung in einem Spannungsregler zum Regeln der Ausgangsspannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere einer Drehstrom-Lichtmaschine, zeigt.

Es zeigen

Fig. 1 den Stromlaufplan eines Spannungsreglers zum Regeln der Ausgangsspannung einer ebenfalls dargestellten Drehstrom-Lichtmaschine mit einem zweipoligen elektrischen Schaltelement nach jder Erfindung und

Fig. 2 den elektrischen Aufbau eines zweipoligen Schaltelements nach der Erfindung.

Eine mit 10 bezeichnete Drehstrom-Lichtmaschine hat drei Wechselstromwicklungen 11, 12, 13 und eine Erregerwicklung I4, die in bekannter Weise relativ zu den Wechselstromwicklungen 11, 12, 13 bewegt wird und dabei in diesen drei um 120 gegeneinander versetzte Wechselspannungen erzeugt. ' .

Über drei Gleichrichter 15 etahen die Wechselstromwicklungen 11 bis 13 mit einer gemeinsamen, an Maß3β angeschlossenen Iiausleitung 17 und über' drei Gleichrichter 16 mit einer ©raten Plusleitung 1Θ in Yerbinöua^o

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Die Gleichrichter I5 und 16 sind also, wie ersichtlich, als Dreiphasen-Brückengleichrichter geschaltet. Zwischen den Leitungen ι? und 18 liegt eine Sammlerbatterie 19·

Eine zweite Plusleitung 22 ist gleichfalls über drei Gleichrichter 23 an die Wechselstromwicklungen 11 bis I3 angeschlossen. Die Gleichrichter 23 bilden zusammen mit den drei Gleichrichtern 15 einen zweiten Brücken-· gleichrichter, so daß zwisohen den Leitungen 18 und I? etwa die gleiche Spannung liegt wie zwischen den Leitungen 22 und 17·

Zwischen den Leitungen 22 und 17 ist ein zweipoliges elektrisches Schaltelement 21 nach der Erfindung angeschlossen,

■Ein Widerstand 24 ist mit seinem einen Anschluß an die Leitung 22 und mit seinem*anderen Anschluß über einen Verbinduhgspunkt 25 an einen Wideretand 26 angeschlossen, der seinerseits über einen als Abgriff 27 dienenden Verbindungspunkt und einen Widerstand 28 mit Masse verbunden ist. Die Widerstände 24, 26, 28 bilden also zusammen einen Spannungsteiler, der an die zu regelnde Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10 angeschlossen ist· Zwischen dem Verbindungepunkt 25 und Masse liegt ein Glättungskondensator 29, der kurzzeitige Spannungsschwankungen.zwisohen den Leitungen 17 und 22 glättet, . ■

Die Kathode einer als nichtlineares Glied dienenden Zenerdiode 32 ist an den Abgriff 27 angeschlossen. Die Anode der Zenerdiode 32 ist mit der Basie eines als Steuertraneistor dienenden npn-Transistors 33 verbunden, dessen Emitter, ebenso wie der Emitter eines zweiten npn-Transietors 34t direkt mit Mass« verbunden ist. E.in Widerstand 35 liegt zwischen der Ba-

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sis des Transistors 33 und Masse.

Der Kollektor des Transistors 33 ist einerseits direkt mit der Basis des Transistors 34 und andererseits über einen Widerstand 36 mit der Leitung 22 verbunden. Der Kollektor des Transistors 34 ist mit dem einen Anschluß der Erregerwicklung I4 sowie über einen Widerstand 37 mit dem Abgriff 27 verbunden. Der andere Anschluß der Erregerwicklung I4 ist_r ebenso wie die Kathode einer ihr parallelgeschalteten Diode JQ, an die Leitung 22 angeschlossen.

Die durch eine strichpunktierte Linie 39 umrahmten Bauteile 32 his 37 bilden zusammen eine Verstärkereinheit, die nur aus Widerständen und Transistoren aufgebaut ist und deshalb leicht als integrierte Schaltung realisiert werden kann.

Zwischen der Leitung 22 und der Plusleitung 18 liegt die Serienschaltung einer Ladeanzeigelampe' 40 und eines Zündschalters 4I·

Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt« Wenn die Lichtmaschine eine zu kleine Spannung abgibt, ist das Potential am Abgriff 27 so niedrig, daß die Zenerdiode 32 sperrt und der Transistor 33 keinen Basisstrom, erhält, also nicht leitet. Sein Kollektor hat dann positives Potential gegenüber der Leitung I7» so daß im Transistor 34 ein Basisstrom fließt und dieser Transistor leitend ist, wodurch ein Strom durch die Erregerwicklung I4 fließt und sich die Ausgangsspannung des Generators 10 erhöht· ' . .

Der Kollektor des Transistors 34 hat dabei etwa das Potential der Minus-

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leitung 17» so daß in diesem Fall der Widerstand 57 ⁸⁰ wirkt, als wäre er zwischen den Abgriff 27 und Masse geschaltet-. Er verringert also die Spannung am Teilwiderstand 28 des Spannungsteilers 24, 26, 28 und hält dadurch den Steuertransistor 53 und die Zenerdiode 32 fest gesperrt. Steigt die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10, so wird das Potential des Abgriffs 27 schließlich so positiv, daß die Zenerdiode 32 zu leiten beginnt und im Transistor 33 ein Basisstrom fließt, so daß dieser ebenfalls beginnt, leitend zu werden. Dabei nimmt sein Kollektorstrom stark zu, wodurch der Basisstrom des Transistors 34 abnimmt. Hierbei wird das * Kollektorpotential des Transistors 34 positiver und erreicht etwa das Potential der Leitung 22. Der Widerstand 37 wirkt demnach jetzt so, als wäre er zwischen dem Abgriff 27 und die Leitung 22 geschaltet,· er höht also das Potential des Abgriffs 27 beispielsweise um 0,2 V. Die Zenerdiode 32 wird durch die Potentialerhöhung voll leitend. Hierdurch wird der Transistor 34 voll gesperrt.

Die Mitkopplung über den Widerstand 37 ermöglicht ein sehr ra;. .thes Um~ schalten des Transistors 34 aus seinem ausgeschalteten in seinen eingeschalteten Zustand und umgekehrt. Durch die vorteilhafte Anordnung des Glättungskondensators 29 kann die Mitkopplung durch den Widerstand 37 voll wirksam werden.

Nach der .Sperrung des Transistors 54 sinkt der Strom in der Erregerwicklung 14 - der in diesem Fall durch die Diode 38 xveiterf ließt exponentiell ab, wodurch auoh die Auegangespannung der Lichtmaschine 10 von ihrem oberen Grenzwert wieder absinkt, und zwar se weit, bis die Zenerdiode 32 wieder sperrt« An diesem unter©a Greasivert der Ausg&Rgs·* spannung wird dann - wie schon geschildert <= &bs Trsasißtes? 34 wieder .

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leitend, es fließt aufs neue ein Strom durch die Erregerwicklung I4, die Ausgangsspannung steigt wieder an, und das Regelspiel beginnt von vorn. Der Transistor 34 schaltet den Strom durch die Erregerwicklung I4 je nach der Belastung der'Lichtmaschine etwa zehn- bis hundertmal in der Stunde ein.und aus.

Sollte der Transistor 34 aus irgend einem Grund nicht mehr gesperrt werden, sei es, daß der Strompfad vom Verbindungspunkt 27 zur Basis des Transistors 33 beispielsweise durch einen Defekt an der Zenerdiode 32 unterbrochen ist oder daß der Transistor 34 selbst durchlegiert hat, dann fließt dauernd ein Strom durch die Erregerwicklung I4· Die Folge davon ist ,ein unerwünschtes Ansteigen der Ausgangsspannung der Lichtmaschine

Das zweipolige Schaltelement 21 ist in Fig. 2 nochmals dargestellt. Zwischen seiner ersten Anschlußklemme 45 und seiner zweiten Anschlußklemme 46 liegt die Schaltstrecke eines Transistors 47» wobei der Kollektor des Transistors 47 mit der ersten Anschlußklemme 45 verbunden ist.

Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 47 ist mit einem Widerstand 48, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 47 mit einem Kondensator überbrückt. .

Das zweipolige Schaltelement 21 ist in der Schaltungsanordnung des Spannungsreglers so angeordnet, daß die erste Anschlußklemme 45 der Plusleitung 22 und die zweite Anschlußklemme 46 der Minusleitung I7 zugewandt ist·

Ist als Batterie I9 ein Akkumulator mit der Nenn-Zellenspannung 12 Volt

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eingebaut, so beträgt im normalen Betrieb die höchste Ladespannung etwa 14,5 Volt. Bei diesem Spannungswert weist das zweipolige Schaltelement 21 einen sehr hohen Innenwiderstand auf. Übersteigt aber - beispielsweise infolge eines Defekts-in dem Spannungsregler 59 - die Ladespannung diesen Höchstwert um einen bestimmten Betrag·,, dann sinkt der Innenwiderstand des zweipoligen Schaltelements auf einen sehr kleinen Wert. Dies

' hat folgenden Grunds Die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung des Transistorelements .47, also diejenige Kollektor-Emitter-Spannung, oberhalb der-die Schaltstrecke des'Transistorelements 47 durchbricht, ist so -bemessen, daß sie etwa. 2 Volt über der höchsten Ladespannung liegt. Erreicht im Schadensfall die über den beiden Anschlußklemmen 45» 4-6 liegen-.de Spannung diesen Durchbruchspannungswert, so beginnt über die Schaltstrecke des Transistorelements 47 ein Strom zu fließen, ohne daß an der Basis ein Steuerstrom vorhanden ist. Weil dieser Transistor 47 nun an der - zu hohen - Ladespannung ohne jeden in Serie mit seiner Schaltstrecke liegenden Schutzwiderstand betrieben wird, nimmt der über die Kollektor-Emitter-Strecke fließende Strom sehr hohe Werte an. Infolgedessen wird ,das Transistorelement 47 auch sehr stark erwärmt. Die Wärme, die bei der. örtlichen Erhitzung des Halbleiterelements entsteht, kann nicht genügend schnell abgeführt werden, so daß die Kollektor-Emitter-Strecke durchle-. giert. Dieser Vorgang, der unter dem Namen "zweiter Durchbruch" bekannt ist, ist irreversibel. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 47 weist dann also einen sehr kleinen ohmschen Widerstand auf, der sich nicht mehr wesentlich ändert. ......

Der Widerstand 40 dient dazu, im normalen Betrieb die Basis des Translators-47 auf den Emitter zu beziehen f, den Transistor 47 also ge-

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sperrt zu halten. Der Kondensator 5I hat die Aufgabe, Spannungsspitzen· - abzufangen, die über dem zweipoligen Schaltelement auftreten können und unbeabsichtigt bereits ein Auslösen des Sicherungselements bewirken würden. Alle die Elemente 47» 4Ö> 49 können in der integrierten Schaltungstechnik auf einem Chip untergebracht werden.

Wenn nun im Schadensfall das zweipolige Schaltelement 21 bleibend einen sehr geringen Durchlaßwiderstand aufweist, bricht die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10 zusammen, der Strom durch die Erregerwicklung I4 nimmt ab und die Lichtmaschine entregt sich somit selbsttätig. Über die Ladekontrollampe 40 - die nun aufleuchtet - fließt ein Strom von dem Pluspol 18 der Batterie I9 über den durchlegierten Transistor 47 einerseits und die Erregerwicklung I4 sowie die Regleranordnung andererseits zum Minuspol 17·

Der geschilderte Vorgang ist nicht rückgängig zu machen. Im Fall eines Defekts muß also der gesamte Regler geprüft werden, ohne daß zunächst durch unsachgemäßes Hantieren an der Schaltungsanordnung noch mehr Schaden angerichtet werden kann.

Die Anordnung eines erfindungsgemäßen zweipoligen Schaltelements an den Ausgangsklemmen einer Lichtmaschine parallel zu den Eingängen des zugehörigen Spannungsreglers schafft eine Schutzvorrichtung, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand und auf sichere Weise den Erregerstrom abschaltet', wenn infolge eines Defekts im Spannungsregler die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung unzulässig hohe Werte erreicht. Auf besonders einfache Art werden so die gefürchteten Folgeschäden von Überspannungen im Bordnetz verhindert. Die vorliegende Erfindung schafft

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ein sehr einfach aufgebautes, betriebssicheres und raumsparendes Sicherungselement, das bei über einem vorgegebenen Wert liegenden Spannungen einen Stromkreis bleibend'kurzschließt.

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Claims

Robert Bosch GmbH ' R. 9355 Chr/Κη Stuttgart · - 19. 12. I968 Ansprüche

1. Zweipoliges elektrisches Schaltelement mit von einem äußeren Schaltkreis abhängigen Kennwerten, dadurch gekennzeichnet, daß es ein bipolares Transistorelement (47) enthält, im regulären Betriebszustand einen sehr hohen Innenwiderstand aufweist und bei einer an seinen Anschlußklemmen (45»4-6) anliegenden, über einem vorgegebenen Wert liegenden Spannung seinen Innenwiderstand in Richtung auf einen kleineren Wert durch Wärmeentwicklung bleibend verändert.

2. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke des Transistorelements (47) zwischen der ersten (45) und der zweiten (46) Ausgangsklemme angeordnet ist.

3. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Anschlußklemme (46) und dem Steueranschluß des Transistorelements (47) ein Widerstandselement (48) angeordnet ist.

4· Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anschlußklemme (45) mit dem Kollektor des Traneistorelements (47)» die zweite Anschlußklemme (46) mit dem Emitter des Transistorelemente (47) und dem einen Ansohlußende des Widerstandselemente (4Q) und die Basis des Traneistor-

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elements (47) mit dem anderen Anschlußende des Widerstandselements (48) verbunden ist.

5. Verwendung eines zweipoligen Schaltelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Spannungsregler zum Regeln der Ausgangsspannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere einer Drehstrom-Lichtmaschine.

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