DE1901075A1 - Zweipoliges elektrisches Schaltelement - Google Patents
Zweipoliges elektrisches SchaltelementInfo
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Description
30. 12. 1968
Anlage zu einer
Patentanmeldung
Patentanmeldung
Die Erfindung bezieht sich auf ein zweipoliges elektrisches Schaltelement
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 Sicherungselemente bekannt, die den zu schützenden Stromkreis öffnen und
so den Verbraucher vor Schäden bewahren. Im einfachsten Fall finden dafür Schmelzsicherungen Verwendung, aber auch Schaltschütze oder ähnliche
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Geräte haben sich bewährt. Zum Schutz von. Halbleiterspannungsreglern von
Lichtmaschinen, insbesondere von Drehstrom-Lichtmaschinen und von Fahr- .,
zeugbatterien, sind jedoch solche Sicherungselemente nicht geeignet.
Das hat folgenden Grund:
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 Lichtmasphinen-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 .
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zwischen sea Fall ungeeignet» denn die Differenz/dem im Normalfall fließenden
Stroe und dem Strom, der bei überspannung fließt, ist zu gering, um ein
Sicherungselement funktionssicher zu steuern. Bekannt für diesen Fall Bind Anordnungen, die zum Vermeiden der obengenannten Schaden im Gefahrene fall den Erregerstroa 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 Erregerstrom 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 geringe* Aufwand und mit einem selbst nicht störanfälligen Schaltmittel
•inen Kurzschluß zwischen ihren Anschlußklemmen herstellt, sobald die
an diesen Anschlußklemmen liegende Spannung einen zugelassenen Höchstwert übersteigt.
Eine einfache und wirkungsvolle Lösung dieser Aufgabe wird bei einem
eingangs erwähnten Schaltelement dadurch erreicht, daß es zwei bipolare Transistorelemente 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.
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Die gewünschte Wirkung läßt sich besonders vorteilhaft erzielen, wenn in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Schaltstrecke des ersten .< Transistorelements mit der Steuerstrecke des zweiten Transistorelements
in Serie geschaltet und diese Serienschaltung zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme angeordnet und wenn zwischen einer Anschlußklemme
und dem Steueranschluß eines Transistorelements ein Element mit Durchbruchscharakteristik
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
Schaltelements 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 der Erfindung und
Fig. 2 Beispiele für 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, I3 bewegt wird und
dabei in diesen drei um 120 gegeneinander versetzte Wechselspannungen
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erzeugt.
Über drei Gleichrichter 15 stehen die Wechselstromwicklungen 11 bis 13
mit einer gemeinsamen, an Masse angeschlossenen Minusleitung 17 und über
drei Gleichrichter 16 mit einer ersten Plusleitung 18 in Verbindung. Die Gleichrichter 15 und 16 sind also, wie ersichtlich, als Dreiphasen-Brückengleichrichter
geschaltet. Zwischen den Leitungen 17 und 1Θ liegt
eine Sammlerbatterie 19·
Eine zweite Plusleitung 22 ist gleichfalls über drei Gleichrichter 25
an die Wechselstromwicklungen 11 bis 13 angeschlossen. Die Gleichrichter
23 bilden zusammen mit den drei Gleichrichtern 15 einen zweiten Brückengleichrichter,
so" daß zwischen den Leitungen 18 und 17 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 Verbindungspunkt 25 an einen Widerstand
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 Verbindungspunkt 25 und Masse liegt ein Glättungskondensator 29, der kurzzeitige SpannungsSchwankungen zwischen den Leitungen I7
und 22 glättet.
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Die Kathode einer als nichtlineare^ Glied dienenden Zenerdiode 32 ist an
den Abgriff 27 angeschlossen. Die Anode der Zenerdiode 32 ist mit der Basis eines als Steuertransistor dienenden npn-Transistors 33 verbunden,
dessen Emitter, ebenso wie der Emitter eines zweiten npn-Transistors 34» direkt mit Masse verbunden ist. Ein Widerstand 35 liegt zwischen der
Basis 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,
ebenso wie die Kathode einer ihr parallelgeschalteten Diode 38, an die Leitung 22 angeschlossen.
Die durch eine strichpunktierte Linie 39 umrahmten Bauteile 32 bis 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 10'
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
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und dieser Traneistor leitend ist, wodurch ein Strom durch die Erregerwicklung 14 fließt und eich die Ausgangsspannung des Generators 10 er- ,,
höht.
Der Kollektor des Transistors 54 hat dabei etwa das Potential der Minualeitung 17» so daß in diesem Fall der Widerstand 37 so wirkt, als
wäre er zwischen den Abgriff 27 und Hasse geschaltet. Er verringert also die Spannung am Teilwiderstand 28 des Spannungsteilers 24, 26, 28 und
hält dadurch den Steuertransistor 33 und die Zenerdiode 32 fest gesperrt.
Steigt die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10, so wird das Potential
dee Abgriffs 27 schließlich so positiv, daß die Zenerdiode 32 zu leiten
beginnt und im Transistor 35 ein Basisstrom fließt, so daß dieser ebenfalls beginnt, leitend zu werden. Dabei nimmt sein Kollektorstrom stark
su, wodurch der Basisstroa des Transistors 34 abnimmt. Hierbei wird das
Kollektorpotential des Transistors 34 positiver und erreicht etwa das Potential der Leitung 22. Der Widerstand 57 wirkt demnach jetzt so, als
wäre er zwischen dem Abgriff 27 und die Leitung 22 geschaltet, er erhöht
also das Potential des Abgriffs 27 beispielsweise um 0,2 V. Die Zenerdiode 32 wird durch die Potentialerhöhung voll leitend. Hierdurch wird
der Transistor 54 voll gesperrt.
Die Mitkopplung über den Widerstand 57 ermöglicht ein sehr rasches Umschalten 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
roll wirksam werden.
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Nach der Sperrung des Transistors 34 sinkt der Strom in der Erregerwicklung
14 - der in diesem Fall durch die Diode 38 weiterfließt exponentiell
ab, wodurch auch die Ausgangsspannung der Lichtmaschine von ihrem oberen Grenzwert wieder absinkt, und zwar so weit, bis die
Zenerdiode 32 wieder sperrt. An diesem unteren Grenzwert der Ausgangsspannung
wird dann - wie schon geschildert - der Transistor 34 wieder leitend, es fließt aufs neue ein Strom durch die Erregerwicklung 14» die
Ausgangsspannung steigt wieder an, und das Regelspiel beginnt von vorn. Der Transistor 34 schaltet den Strom durch die Erregerwicklung 14 je
nach der Belastung der Lichtmaschine etwa zehn- bis hundertmal in der Sekunde 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
unterbrochen ist oder daß der Transistor 34 selbst durchlegiert hat, dann fließt dauernd ein Strom durch die Erregerwicklung 14· Die Folge
davon ist ein unerwünschtes Ansteigen der Ausgangsspannung der Lichtmaschine
10.
Das zweipolige Schaltelement 21 ist in Fig. 2 nochmals dargestellt. An ·
seiner ersten Anschlußklemme 45 ist der Emitter eines ersten Transistorelements 46 - eines pnp-Transistors - und das eine Ende eines Widerstands
47 angeschlossen. Das andere Ende des Widerstands 47 ist mit der Basis des Transistors 46 sowie mit dem Kollektor eines Transistorelecents
48 - eines npn-Transistors - und der Kathode einer Zen>^erdiode
49 verbunden. Der Kollektor des ersten Transistorelements 46 ist mit der Basis des zweiten Transistorelements 48 leitend verbunden. Die
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Anode der Zenerdiode 49 und der Emitter des zweiten Transistorelements
fa
48 sind an eine zweite Anschlußklemme 51 des zweipoligen Schaltelements ·■
21 angeschlossen. Zwischen der ersten Anschlußklemme 45 und der zweiten Anschlußklemme 51 liegt ein Überbrückungskondensator 52.
In Fig. 3 ist eine zweite Variante des zweipoligen Schaltelements 21
dargestellt. An eine erste Anschlußklemme 145 ist der Emitter eines ersten Transistorelements I46 - eines pnp-Transistors - und die Kathode
einer Zenerdiode 149 angeschlossen. Die Anode der Zenerdiode 149 ist mit dem Kollektor des ersten Transistorelements I46, der Basis eines zweiten
Transistorelements I48 - eines npn-Transistors - und dem einen Anschluß
eines Widerstands 147 verbunden. Die Basis des ersten Transistorelements 146 ist mit dem Kollektor des zweiten Transistorelements I48
leitend verbunden. Der andere Anschluß des Widerstands 147 und der Emitter des zweiten Transistorelements I4Ö sind an eine zweite Anschlußklemme
151 des zweipoligen Schaltelements 21 angeschlossen. Zwischen der
ersten Anschlußklemme 145 und der zweiten Anschlußklemme I5I liegt ein
Überbrückungskondensator 152.
Das zweipolige Schaltelement 21 ist in der Schaltungsanordnung des Spannungsreglers
so angeordnet, daß die erste Anschlußklemme 45 der Plusleitung 22 und die zweite Anschlußklemme 51 <*er Minusleitung I7 zugewandt
ist, das gleiche gilt für die Anschlußklemmen 145, 151.
Ist als Batterie 19 ein Akkumulator mit einer Nennspannung von 12 Volt
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, denn die beiden Transistoren 46,
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48 sind gesperrt. Übersteigt aber - beispielsweise infolge eines Defekts
in dem Spannungsregler 39 - die Ladespannung diesen Höchstwert um einen ''
bestimmten Betrag, dann sinkt der Innenwiderstand des zweipoligen Schaltelements auf einen sehr kleinen Wert. Dies hat folgenden Grund:
Die Zenerspannung der Zenerdiode 49» also diejenige Sperrspannung, oberhalb der die Diode 49 durchbricht, ist so bemessen, daß sie etwa 2 Volt
über der höchsten Ladespannung liegt. Erreicht im Schadensfall die über den beiden Anschlußklemmen 45, 51 liegende Spannung einen Wert, der
die Summe aus der Zenerspannung der Diode 49 und der zur Aussteuerung des Transistors 46 erforderlichen Basis*-Emitter-Spannung übersteigt, so
bricht die Zenerdiode 49 durch und steuert den Transistor 46 in seinen leitfähigen Zustand. Bas bedeutet, daß die Schaltstrecke des Transistors
46, nämlich seine Emitter-Kollektor-Strecke, einen sehr geringen Widerstand aufweist. Infolgedessen liegt nun fast die volle Ladespannung an
der Emitter-Basis-Strecke des zweiten Transistors 48, der nun ebenfalls leitend wird. Weil jetzt aber die Schaltstrecke, nämlich die Emitter-Kollektor-Strecke
des zweiten Transistors 48 niederohniig ist, liegt nahezu die volle Ladespannung auch an der Basis-Emitter-Strecke des
ersten Transistors 46, und zwar unabhängig davon, ob nun die Zenerdiode
49 leitend ist oder nicht. Die beiden Transistoren 46, 48 halten sich
- sind sie erst einmal in den leitfähigen Zustand gesteuert - gegenseitig
im leitfähigen Zustand. Es liegt also dann jeweils die Schalt- ' strecke des einen Transistors mit der Steuerstrecke des anderen
Transistors in Serie, und diese beiden Serienschaltungen liegen zueinander parallel. Weil diese Parallelschaltung der bei den Serienschaltungen
aus den beiden Transistoren 46, 48 an der - zu hohen - Ladespannung
ohne jeden als Schutzwiderstand dienenden Arbeitswiderstand
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betrieben wird, nimmt der über die jeweils in Serie geschalteten Kollektor-Emitter-
und Baeis-Emitter-Strecken "fließende Strom sehr hohe Werte
an. Infolgedessen werden die Transietorelemente 46, 48 auch sehr stark erwärmt. Die Wärme, die bei der örtlichen Erhitzung der Halbleiterelemente
entsteht, kann nicht genügend schnell abgeführt werden, so daß die beiden Kollektor-Emitter-Strecken durchlegieren. Dieser Vorgang ist
irreversibel. Die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 46, 48
weisen einen sehr kleinen ohmschen Widerstand auf, der sich nicht mehr
wesentlich ändert. Die Emitter-Basis-Diode des ersten Transistors 46 lind die Basis-Emitter-Diode des zweiten Transistors 48 sind in diesem
Fall parallel und in Durchlaßrichtung geschaltet.
Der Widerstand 47 dient dazu, im normalen Betrieb die Basis des ersten
Transistors 46 auf seinen Emitter zu beziehen, den ersten Transistor 46
alBO gesperrt zu halten. Der Kondensator 52 hat die Aufgabe, Spannungsspitzen
abzufangen, die über dem zweipoligen Schaltelement auftreten können und unbeabsichtigt bereits ein Auslösen des Sicherungselements
bewirken würden. Alle die Elemente 46, 47, 48, 49, 52 können in der
integrierten Schaltungstechnik auf einem Chip untergebracht werden.
Wenn nun ia 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 die durchlegierten Transistoren einerseits
und die Erregerwicklung I4 sowie die Regleranordnung andererseits
zum Minuspol 17. 009833/1667
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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 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 (10)
1. Zweipoliges elektrisches Schaltelement mit von einem äußeren Schaltkreis
abhängigen Kennwerten, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei bipolare Transistorelemente (46,48) enthält, im regulären Betriebszustand
einen hohen Innenwiderstand aufweist und bei einer an seinen Anschlußklemmen (45»51) 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 ersten Transistorelements (46) mit der Steuerstrecke des zweiten Transistorelements (48) in Serie geschaltet
und diese Serienschaltung zwischen der ersten (45) und der Zweiten
(51) Anschlußklemme angeordnet ist.
3. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Basis des ersten Transistorelements (46) mit dem Kollektor des zweiten Transistorelements (48) und die Basis des
zweiten Transistorelements (48) mit dem Kollektor des ersten Transistorelements (46) verbunden ist.
4. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Transistorelement (46) als pnp-Transistor
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ausgebildet und sein Emitter mit der ersten Anschlußklemme (45) verbunden
ist und daß das zweite Transistorelement (48) als npn-Transistor ausgebildet und sein Emitter mit der zweiten Anschlußklemme
(51) verbunden ist.
5. Zweipoliges Schaltelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen einer Anschlußklemme (51) und dem Steueranschluß eines Transistorelements (46) ein Element mit Durchbruchcharakteristik
(49) angeordnet ist.
6. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 5f dadurch gekennzeichnet,
daß das Element mit Durchbruchcharakteristik (49) als Zenerdiode ausgebildet ist.
7. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anode der Zenerdiode (49) mit dem Emitter des zweiten
Transistorelements (48) und die Kathode der Zenerdiode (49) mit dem
Kollektor des zweiten Transistorelements (48) verbunden ist.
8. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Basis und dem Emitter des ersten Transistorelements (46) ein Widerstand (47) angeordnet ist.
9. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode der Zenerdiode (149) mit dem Emitter des ersten
Transistorelements (146) und die Anode der Zenerdiode (149) mit dem
Kollektor des ersten Transistorelements (I46) verbunden ist.
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10. Zweipoliges Schaltelement nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistor-
elenents (148) ein Widerstand (147) angeordnet ist.
11· Verwendung eines zweipoligen Schaltelements nach einem der vorhergehenden
Ansprüche in einem Spannungsregler zum Regeln der Ausgangs- spannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators,
insbesondere einer Drehstrom-Lichtmaschine.
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Leerseite
Priority Applications (6)
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