DE2308090A1

DE2308090A1 - Ueberlast-schutzschaltung

Info

Publication number: DE2308090A1
Application number: DE19732308090
Authority: DE
Inventors: David Wiley
Original assignee: Lucas Electrical Co Ltd
Current assignee: Lucas Electrical Co Ltd
Priority date: 1972-02-19
Filing date: 1973-02-19
Publication date: 1973-08-23
Also published as: FR2172332A1; ES414463A1; ES411691A1; IT977375B; FR2172332B1; US3835367A; DD105353A5; GB1424512A; BR7301174D0; IN138414B; ZA73631B; JPS547935B2; JPS4894844A; PL84282B1; AU5184673A

Description

■»ATENl ANWÄLTE

Dipl.-lng. WERNER COH AU SZ · Dipl.-lng. Wl LH E LM FLORACK. Dipl.-lng. RUDOLF KNAUF

4 Düsseldorf, Schumannstraße 97

Joseph Lucas (Electrical) Limited Veil Street GB-Birmingham 16. Februar 1975 Überlast-Schutzschaltung

Die Erfindung betrifft eine tfberlast-Schutzschaltung, insbesondere für die Batterieladesysteme von Kraftfahrzeugen.

Eine Überlast-Schutζschaltung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Thyristor» dessen Anode und Kathode zur Verbindung zwischen zwei zu schützende Energieleitungen vorgesehen sind, und eine Reihenschaltung, die zwischen die Anode und die Kathode des Thyrostors geschaltet ist und einen spannungsabhängigen Widerstandsteil und einen Widerstand aufweist, deren Verbindung mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist, wobei der spannungsabhängige Widerstandsteil einen hohen Wert bei Nennspannung des Systems und einen wesentlich geringeren Wert bei Spannungen wesentlich über der Nennspannung des Systems hat und eine solche Anordnung vorgeseehen ist, daß bei Auftreten eines Defekts, derart, daß Strom durch den spannungsabhängigen Widerstand fließt, der Thyristor bei Defekten im niedrigen Strombereich nicht leitet und das System von dem spannungsabhängigen Widerstandsteil und dem Widerstand in Reihe geschützt ist, der Thyristor jedoch zum Schütze des Systeme bei Defekten im hohen Strombereich eingeschaltet wird.

In einer Anordnung ist eine Zenerdiode und ein Widerstand in Reihe zu dem genannten einen Widerstand parallelgesohaltet, und eine Verbindung zwischen der Zenerdiode und dem Widerstand ist mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden. Der spannungsabhänigige Widerstandsteil ist vorzugsweise eine Zenerdiode, und der in Reihe mit dem spannungsabhängigen Widerstandeteil geschaltete Widerstand ist vorzugsweise so gewählt, daß er eine sehr geringe Induktivität hat. Idealer-

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weise wird ein Widerstand in gedruckter Schaltung verwendet.

Zum anderen besteht die Erfindung in einem Batterieladesystem für ein Kraftfahrzeug, das gekennzeichnet ist durch einen Generator mit einer Feldwicklung, eine zur Ladung durch den Generator vorgesehene Batterie, einen Halbleiter-Spannungsregler zum Regeln des Ausgangs des Generators durch Ändern des Stromflusses durch die Feldwicklung und eine Schutzschaltung zur Verhinderung einer Zerstörung des Reglers durch Stromstöße im System, mit einem Thyristor, dessen Anoden-Kathodenweg zum Hegler parallelgeschaltet ist, und mit einer Reihenschaltung, die zum Regler parallelgeschaltet ist und einen spannungBabhängigen Widerstandsteil und einen Widerstand aufweist, wobei der spannungsabhängige Widerstandsteil einen hohen Wert bei Nennspannung des Systeme und einen wesentlich geringeren Wert bei Spannungen am Regler über einem Sollwert hat, wobei die Verbindung zwischen dem spannungsabhängigen Widerstandsteil und dem Widerstand mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist und eine solche Anordnung vorgesehen ist, daß bei Auftreten eines Stromstoßes im niedrigen Strombereich am Regler der Regler durch ein Fließen von Strom durch den spannungsabhängigen Widerstaandsteil und den Widerstand in Reihe geschützt ist, der Thyristor jedoch zum Schütze des Reglers bei Auftreten eines Stromstoßes im hohen Strombereich leitet.

Bei einem Batterieladesystem dieser Art handelt es sich bei dem spannungsabhängigen Widerstandsteil vorzugsweise um eine Zenerdiode. Ferner ist der Widerstand vorzugsweise ein Widerstand in gedruckter Schaltung oder ein anderer Widerstand mit extrem niedriger Induktivität. Ferner kann zum Widerstand eine Zenerdiode und ein weiterer Widerstand in Reihe parallelgeschaltet sein, wobei die Verbindung zwischen der Zenerdiode und dem weiteren Widerstand mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.

Sie Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sindι

Fig. 1 ein Schaltbild als Darstellung eines Ausführungsbeispiels der

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Erfindung tind Fig. 2 eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels·

Gemäß Fig. 1 ist eine Dreiphasen-Lichtmaschine 11 vorgesehen, die Strom über einen Zweiwegegleiohrichter, der aus zwei Sätzen Dioden

12 und 13 besteht, an eine Plus- bzw. Minus-Energieleitung 14 bzw.

13 liefert, zwischen die die Batterie 16 eines Kraftfahrzeugs geschaltet ist. Die Leitung 15 ist an Masse angelegt. Ferner sind drei Hilfsdioden 17 vorgesehen, die mit den Phasenpunkten der Lichtmaschine verbunden sind und Energie für eine weitere Plus-Energieleitung 18 liefern, die mit der Leitung 14 über eine Kontrollampe 19 und den Zündschalter 21 des Fahrzeugs in Reihe verbunden ist. Die zündungsgesteuerten Lasten des Fahrzeugs sind bei 22 angedeutet, und sie sind zwischen die Verbindung zwischen der Lampe 19 und dem Zündschalter 21 und die Leitung 15 geschaltet. Die Lasten 22 weisen natürlich den Kontaktunterbrecher des Fahrzeugs auf, der den Stromfluß in der Primärwicklung der Zündspule des Fahrzeugs bestimmt, deren Sekundärwicklung mit den Kerzen des Fahrzeugs in einer Folge über einen Verteiler verbunden wird.

In Reihe zwischen die Leitung 18 und 15 sind ein Widerstand 24 und ein voreingestellter Widerstand 25 geschaltet. Die Verbindung zwishen den Widerständen 24 und 25 ist über eine Zenerdiode 26 mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 2^ verbunden, dessen Steuerelektrode außerdem über einen Widerstand 28 mit der Leitung 15 verbunden ist. Die Emissionselektrode des Transistors 2^ ist mit der Leitung 15 verbunden, und dessen Kollektor ist über einen Widerstand 29 mit der Leitung 18 verbunden, während dessen Steuerelektrode und Kollektor «über einen Kondensator 31 verbunden sind. Der Kollektor des Transistors 27 ist mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 52 verbunden, dessen Emissionselektrode mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 33 verbunden ist· Dessen Emissionselektrode ist mit der Leitung 15 verbunden, dessen Kollektor ist mit der Leitung 18 über die Feldwicklung 34 der Lichtmaschine 11 verbunden. Zur Wicklung 34 ist eine Diode 35 parallelgeschaltet. Die Kollektoren der Transistoren 32 und 33 sind

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mit der Steuerelektrode dee Transistors 27 über einen Widerstand 36 und einen Kondensator 37 in Beine verbunden.

Die Leitungen 18, 15 sind weiter durch zwei parallele Wege verbunden, von denen einer den Anoden-Kathodenweg eines Thyristors 41 enthält, während der andere eine Zenerdiode 42 in Reihe mit einem Widerstand 43 aufweist, wobei die Verbindung zwischen der Zenerdiode 42 und dem Widerstand 43 mit der Steuerelektrode des Thyristors 431 verbunden ist·

Wenn im System kein Defekt auftritt, leiten die Teile 41» 42 und 43 nicht, und deshalb können diese für den Moment außer acht gelassen werden. Wenn der Zündschalter 21 geöffnet ist und die Lichtmaschine keinen Ausgang erzeugt, fließt kein Strom in irgendeienem Teil der Schaltung. Wenn der Zündschalter 21 geschlossen wird, liefert die Batterie 16 Strom zu den Lasten 22, und außerdem fließt auch Strom duroh den Schalter 21 und die Kontrollampe 19 und daann über den Widerstand 29 und die Steuerelektroden-Bnissionselektrodenwege der Transistoren 32 und 33, um die Feldwicklung 34 zu erregen, wobei in diesem Stadium die Lampe 19 aufleuchtet. Wenn der Motor gestartet worden ist und die Lichtmaschine 11 einen Ausgang erzeugt, ist die Spannung der Leitung 14 im wesentlichen gleich der Spannung der Leitung 18, und damit wird der Segler mit Energie über die Leitungen 18, 15 versorgt, und die Kontrollampe 19 geht aus.

Wenn die Spannung zwischen den Leitungen 18 und 15 unter einem Sollwert liegt, ist der Transistor 27 nicht leitetnd, und der Transistor 33 leitet, um den erforderlichen Feldstrom zu liefern. Wenn jedoch eine bestimmte Spannung erreicht wird, bricht die Zenerdiode 26 zusammen, um Strom für den Traneistor 27 zu liefern, der sich einschaltet, um Steuerelektrodenstrom vom Transistor 32 wegzunehmen und damit Steuerelektrodenetrom vom Traneistor 33 wegzunehmen. Die Schaltung schwingt zwisohen einem Zustand mit eingeschaltetem Transistor 27 und ausgeschalteten Transistoren 32 und 33 und einem anderen Zustand, bei dem der Transistor 27 ausgeschaltet ist und die Transistoren 32 und

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33 voll eingeschaltet sind, wobei die Schwingungen von den positiven Rückkopplungskreisen über den Widerstand 36 und den Kondensator 37 hervorgerufen werden und das Impulstastverhältnis der Schwingungen durch den Strom bestimmt wird, der durch die Zenerdiode 26 fließt, was von der bpannung zwischen den Leitungen 18 und 15 abhängt. Es versteht sich natürlich, daß während Zeiten, zu denen der Transistor 33 ausgeschaltet ist, in der Wicklung 34 gespeicherte Energie ein Fließen von Strom durch die Diode 35 bewirkt.

Bei diesen Systeme ist es extrem wichtig, den Spannungsregler zu schützen, weil Stromstäße in der Leitung 18 unter bestimmten Umständen den Regler völlig zerstören können. Es gibt im wesentlichen zwei Arten von Stromstößen, die berücksichtigt werden müssen, nämlich solche im niedrigen Strombereich und solche im hohen Strombereich· Ein gutes Beispiel für einen Stromstoß im niedrigen Strombereich ergibt sich, wenn man die Situation betrachtet, bei der die Batterie 16 getrennt wird, so daß der Glättungeeffekt der Batterie 16 verlorengeht und von dem Zündsystem erzeugte Stromstäße an die Leitungen und 15 über den kalten Glühfaden der Lampe 19 angelegt werden. Bei einem 12.Volt-System werden typische Stromstöße, die unter solchen Umständen erzeugt werden, möglicherweise an einer offenen fSchaltkreisspannung von 400 ToIt auftreten, jedoch mit einem relativ niedrigen Stromgrenzwert von 3 Ampere für relativ kurze Zeiten in der Größenordnung von 30 MikrοSekunden. Unter solchen Umständen leitet die Zenerdiode 42, und der Stromstoß geht durch die Zenerdiode 42 und den Widerstand 43 in Reihe, so daß der Regler geschützt wird, die am Widerstand 43 erscheinende Spannung ist jedoch nicht ausreichend hoch, um den Thyristor 41 einzuschalten. Bei Stromstößen im niedrigen Strombereich wird also ein Schutz durch die Teile 42 und 43 gewährleistet.

Als ein Beispiel für einen Stromstoß im hohen Strombereich mit hoher Energie, der ebenfalls den Regler beschädigen könnte, ist der Fall am besten zu betrachten, bei dem man sich vor aAugen führt, was geschieht, wenn die Leitung 14 getrennt wird. Mit dem Moment der Trennung steigt

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die Spannung zwischen den Leitungen 18 und 15 in Richtung auf die sofort offene Schaltkreisspannung des Wechselstromgenerators. Als fiFolge davon hört der Transistor 33 zu leiten auf, und der vorherrschende Feldstrom fällt dann exponential über die Diode 35 ab. Venn die Leitung 14 also getrennt wird, steigt die spannung zwischen den Leitungen 18 und 15 auf einen Spitzenwert und läuft dann exponential aus. Der Spitzenwert hängt von der offenen Schaltkreisspannungscherakteristik der Wechselstromlichtmaschine und deren Drehzahl nnd Ausgang' im Moment der Trennung ab. Typischerweise kann bei einem 12-Volt-System das zwischen den Leitungen 16 und 15 auftretende Signal einen Spitzenwert von 120 Volt haben, das exponential in einer Zeit von 0,25 Sekunden ausklingt; da eine typische Quellenimpedanz etwa 1,4 Ohn beträgt, kann also ein starker Strom fließen, wenn der Transistor 33 zusammenbricht. Es versteht sich, daß das eine schwerwiegende Angelegenheit wäre und den Regler zerstören würde, wenn nicht für einen Schutz gesorgt würde. Bei Auftreten eines Stromstoßes mit solchem starkem Strom und so hoher Energie leitet die Zenerdiode 42 wie zuvor, und Strom fließt durch die Zenerdiode 42 und den Widerstand 43* Die Spannung am Widerstand 43 reicht jedoch jetzt aus, um den Thyristor 41 einzuschalten, so daß der Thyristor 41 leitet, um den Regler zu schützen.

Es versteht sich natürlich, daß die Zenerdiode 42 durch eine Art von spannungsabhängigem Widerstandsteil ersetzt werden kann, obgleich die Zenerdiode der bevorzugte Teil ist. Jede andere Art eines spannungsabhängigen Widerstandsteils, der verwendet wird, müßte einen erheblichen Widerstand bei Nennleistung des Systems haben, so daß das normale Leiten durch die Stromwege 42, 43 gering wäre, jedoch einen wesentlich geringeren Widerstand bei höheren Spannungen, so daß die Schutzschaltung in der beschriebenen Weise funktioniert.

Vorzugsweise soll der Widerstand 43 eine extrem geringe Induktivität haben, um jede Möglichkeit eines ungewollten Auslösens des Thyristors 41 auf ein Minimum zu reduzieren. Idealierweise kann das dadurch erreicht werden, daß man einen Widerstand 43 in gedruckter Schaltung vorsieht.

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Es ist bekannt, eine Zenerdiode und einen Thyristor in Kombination zu verwenden, um den Thyristor einzuschalten, wenn die Spannung zwischen zwei Leitungen einen Sollwert überschreitet, um damit für einen Schutz zu sorgen. Bei dem bekannten System ist jedoch kein Zweiwert-Schutz der vorstehend beschriebenen* Art bekannt. Sie extrem einfache Anordnung zur Erzeugung des Schutzes, wie sie beschrieben worden ist, sorgt für einen vollständigen Schutz des Heglers und ermöglicht auch ein Fahren des Fahrzeuge mit getrennter Batterie 16, was ein großer Vorteil ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet worden. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Verbindung zwischen der Zenerdiode 42 und dem Widerstand 43 nund zur Leitung 15 über eine Zenerdiode 51 und einen Widerstand 52 in fieihe geführt ist, und die Verbindung zwischen der Zenerdiode 51 und dem Widerstand 52 ist mit der Steuerelektrode des Thyristors 41 verbunden. Die Anordnung wird im wesentlichen nicht beeinflußt. Stromstöße im niedrigen Strombereich fließen durch die Zenerdiode 42 und den Widerstand 45, und Stomstöße im hohen Stromberich erzeugen eine Spannung am Widerstand 43, der die Zenerdiode 51 zusammenbrechen läßt, um den Thyristor 41 einzuschalten, wie das schon im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt worden ist. Diese Anordnung ermöglicht ein genaueres Einstellen des Stromwerts im Widerstand 43» bei dem der Thyristor fixiert wird, als das bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist.

In einer bestonderen Anordnung wurden für die Zenerdiode 42 und 451» die in Fig. 2 verwendet wurden, 20-Volt- und 8,2-Volt-Zenerdiode verwendet.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

jerlast-Schutzschaltung, gekennzeichnet durch einen Thyristor, dessen Anode und Kathode zur Verbindung zwischen zwei zu schützende Energieleitungen vorgesehen sind, und eine Reihenschaltung, diezwischen die Anode und die Kathode des Thyristors geschaltet ist und einen spannungsabhängigen Widerstandsteil und einen Widerstand aufweist, deren Verbindung mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist, wobei der spannungsabhängige Widerstandsteil «einen hohen Wert bei Nennspannung des Systems und einen wesentlichen geringeren Wert bei Spannungen wesentlich über der Nennspannung des Systems hat und eine solche Anordnung vorgesehen ist, daß bei Auftreten eines Defekts, derart, daß Strom durch den spannungsabhängigen Widerstand fließt, der Thyristor bei Defekten im niedrigen Strombereich nicht leitet und das System von dem spannungsabhängigen Widerstandsteil und dem Widerstand in Reihe geschützt ist, der Thyristor jedoch zum Schutz des Systems bei Defekten im hohen Strombereich eingeschaltet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem genannten Widerstand eine Zenerdiode und ein Widerstand in Reihe geschaltet sind und die Verbindung zwischen der Zenerdiode und dem Widerstand mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstandsteil eine Zenerdiode ist.

4· Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand in Reihe mit dem spannungsabhängigen Widerstandsteil eine sehr geringe Induktivität hat.

5. Schaltung nach Anspruch 4t dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand in Reihe mit dem spannungsabhängigen Widerstandsteil ein Widerstand in gedruckter Schaltung ist.

6. Batterieladesystem für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch

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einen Generator mit einer Feldwicklung, eine zur Ladung durch den Generator vorgesehene Batterie, einen Halbleiter-Spannungsregler zum Hegeln des Ausgangs des Generators durch Ändern des Stromflusses durch die Feldwicklung und eine Schutzschaltung zur Verhinderung einer Zerstörung des Reglers durch Stromstöße im System, mit einem Thyristor, dessen Anoden-Kathodenweg zum Regler parallelgeschaltet ist, und mit einer Reihenschaltung, die zum Regler parallelgeschaltet ist und einen spannungsabhängigen Widerstandsteil und einen Widerstand aufweist, wobei der spannungsabhängige Widerstandsteil einen hohen Wert bei Nennspannung des Systems und einen wesentlich geringeren Wert bei Spannungen am Regler über einem Sollwert hat, wobei die Verbindung zwischen dem spannungsabhängigen Widerstandsteil und dem Widerstand mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist und eine solche Anordnung vorgesehen ist, daß bei Auftreten eines Stromstoßes im niedrigen Strombereich am Regler der Regler durch ein Fließen von Strom durch den spannungsabhängigen Widerstandsteil und den Widerstand in Reihe geschüztz ist, cLe*a»4, der Thyristor jedoch zum Schütze des Reglers bei Auftreten eines Stromstoßes im hohen Strombereich leitet.

7· System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand zu einer Zenerdiode und einem weiteren Widerstand in Reihe parallelgeschaltet ist, wobei die Verbindung zwischen der Zenerdiodeund dem weiteren Widerstand mit der Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.

8. Syete,m nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstandsteil eine Zenerdiode ist.

9. System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand in Reihe mit dem epannungsabhängigen Widerstandsteil eine sehr niedrige Induktivität hat.

10. System nach Anspruch 9t dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand in Reihe mit dem spannungsabhängigen Widerstandsteil ein Widerstand in gedruckter Schaltung ist.

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