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Spannungsregler für Wechselstromgenerator
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Spannungsregler
für einen permanentmagneti sch erregten Wechselstromgenerator nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Bei einem bekannten Wechselspannungsregler dieser Art wird der Effektivwert
der Wechselspannung über eine Widerstands-Brückenschaltung ermittelt, in deren einem
Brückenzweig eine Glühlampe angeordnet ist (US-PS 3 757 199). Da die Glühlampe ihren
Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur bzw.
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ihre Temperatur in Abhängigkeit vom Effektivwert der angelegten Spannung
ändert, werden mit steigender Wechselspannung des Generators die positiven Halbwellen
der Wechselspannung durch eine Anschnittsteuerung zunehmend früher kurzgeschlossen.
Durch die Ankerrückwirkung eines permanentmagnetisch erregten Wechselstromgenerators
werden dadurch die nachfolgenden negativen Spannungshalbwellen mit beeinflußt, so
daß bei voller oder bei halber Last die abgegebene Spannung einen ausreichend konstanten
Effektivwert hat. Für sehr kleine Lasten bzw. bei Leerlauf eines leistungsstarken
Generators werden die nicht geregelten Spannungshalbwellen des Generators so stark,
daß
der Effektivwert der Wechselspannung selbst dann unzulässig
hoch ansteigt, wenn die geregelten Spannungshalbwellen durch die Anschnittsteuerung
praktisch vollständig kurz geschlossen werden.
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Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, den Spannungsregler für
Wechselstromgenerator so zu verbessern, daß der Effektivwert der Spannung auch bei
kleinen Lasten oder bei Leerlauf konstant gehalten wird, damit Glühlampen und ähnlich
spannungs empfindliche Bauteile der elektrischen Anlage besser geschützt sind.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spannungsreglers
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die nicht
geregelten Spannungshalbwellen des Wechselstromgenerators nun nicht mehr in voller
Höhe auf die Verbraucher gelangen sondern daß sie durch einen zusätzlichen Schaltkreis
überwacht und zur Begrenzung des Effektivwertes ebenfalls kurzgeschlossen werden
können. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß das Kurzschließen dieser Spannungshalbwellen
vom Augenblickswert der Spannung abhängig ist. Dadurch wird gewährleistet, daß auch
die Scheitelwerte der Spannung an den Verbrauchern einen bestimmten Maximalwert
nicht überschreiten kann, so daß die angeschlossenen Verbraucher sowohl gegen zu
hohe effektive Spannungen als auch gegen zu hohe Spitzenspannungen geschützt sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Merkmales möglich.
Eine
besonders einfache und zuverlässige Lösung ergibt sich, wenn
als Schwellwertschalter eine anodenseitig mit dem Steuerabschluß des zweiten Thyristors
verbundene Z-Diode verwendet wird.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt
den Schaltungsaufbau eines Wechselstromgenerators mit Verbraucher und erfindungsgemäßem
Spannungsregler und Figur 2 zeigt die Spannungskennlinie des Reglers.
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Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Figur 1 ist ein permanentmagnetisch
erregter Wechselstromgenerator mit 10 bezeichnet, der von einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine eines Motorrades angetrieben wird. Er hat an seinen Klemmen 11
und 12 einen Wechselstromausgang, an dem verschiedene Verbraucher angeschlossen
werden. In der Figur ist als Verbraucher eine Glühllampe 13 dargestellt, die mit
einem Schalter 14 in Reihe geschaltet ist. Da Glühlampen gegen Überspannung sehr
empfindlich sind, ist für die abgegebene Wechselspannung des Generators 10 ein Spannungsregler
15 vorgesehen, der mit zwei Anschlußklemmen 16 und 17 an die Wechselspannung des
Generators 10 angeschlossen ist. Der Wechselstromausgang des Generators 10 ist durch
einen Thyristor 18 des Spannungsreglers 15 in einer Stromrichtung - hier für die
negativen Spannungshalbwellen des Generators 10 - überbrückbar. Der Steueranschluß
18a des Thyristors 18 ist mit einer Steuerschaltung verbunden, die
durch
eine Brückenschaltung aus drei Widerständen 19, 20 und 21 sowie einer Glühlampe
22 besteht, in dessen diagonale an den Schaltungspunkten 23 und 24 ein Differenzverstärker
angeschlossen ist. Der Differenzverstärker ist aus PNP-leitenden Transistoren 25
und 26 gebildet, deren Emitter gemeinsam über einen Widerstand 27 mit der Anschlußklemme
17 sowie über eine Diode 28 mit der Anschlußklemme 16 verbunden sind, wobei die
Diode 28 für die positiven Spannungshalbwellen in Durchlaßrichtung liegt. Die Basis
des Transistors 25 ist am Schaltungspunkt 23 angeschlossen und die Basis des Transistors
26 liegt am Schaltungspunkt 24. Der Kollektor des Transistors 25 bildet den zum
Steueranschluß 18a des Thyristors 18 führenden Ausgang des Differenzverstärkers.
Der Kollektor des Transistors 26 ist ebenso wie der Brückenzweig, welcher die Glühlampe
22 enthält mit der Anschlußklemme 16 verbunden.
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Ein weiterer Thyristor 29 ist zwischen den Anschlußklemmen 16 und
17 zum ersten Thyristor 18 antiparallel geschaltet, indem er die positiven Spannungshalbwellen
des Generators kurzzuschließen vermag. Der Steueranschluß 29a dieses Thyristors
29 ist über einen Schwellwertschalter mit der Anschlußklemme 16 und folglich mit
seinem Anodenanschluß verbunden. Der Schwellwertschalter besteht aus einer Z-Diode
30, die mit einem Widerstand 31 und einer Diode 32 in Reihe geschaltet ist. Während
die Z-Diode 30 anodenseitig mit dem Steueranschluß 29a des Thyristors 29 verbunden
ist, liegt die Diode 32 anodenseitig an der Anschlußklemme 16 und ist folglich mit
dem Thyristor 29 in gleicher Durchlaßrichtung geschaltet.
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Im folgenden soll die Wirkungsweise des Spannungsreglers 15 beim Betrieb
des Wechselspannungsgenerators 10 näher erläutert werden. Es sollen keine Verbraucher
angeschlossen sein. In diesem Zustand würde der Generator 10 ohne Spannungsregler
15 eine Leerlaufspannung liefern, bei denen sowohl die Amplitudenwerte der Halbwellen
als auch der Effektivwert der Leerlaufspannung unzulässig hoch wäre.
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Durch den Spannungsregler wird nun beim Auftreten einer positiven
Spannungshalbwelle zunächst über die Widerstände 19, 20 und 21 sowie über die Glühlampe
22 der Brückenschaltung ein Strom fließen und außerdem wird über die Diode 28 und
den Widerstand 27 ein Strom fließen und damit das Potential am Emitter der Transistoren
25 und 26 positiv.
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Mit zunehmender Spannung wird durch den zunehmenden Widerstand der
Glühlampe 22 die Brücke an den Schaltungspunkten 23 und 24 verstimmt und der Transistor
26 wird in stärkerem Maße in den stromleitenden Zustand gesteuert als der Transistor
25. Der Thyristor 18 bleibt daher gesperrt. Außerdem liegt er für die positiven
Spannungshalbwellen in Sperrichtung und ist folglich unwirksam. Gleichzeitig gelangt
die positive Spannungshalbwelle über die Diode 32 und den Widerstand 31 zur Z-Diode
30. Beim Überschreiten der Z-Spannung von beispielsweise 27 V bricht die Z-Diode
durch und der Thyristor 29 wird nun über seinen Steueranschluß 29a an Pluspotential
gelegt und gezündet. Der Thyristor 29 schließt von diesem Zeitpunkt an die positive
Halbwelle des Generators 10 kurz. Erst beim Nulldurchgang des Stromes gelangt der
Thyristor 29 wieder in den Sperrzustand. Alle nachfolgenden positiven Spannungshalbwellen
werden in gleicher Weise auf den durch den Widerstand 31 abzugleichenden Spannungswert
begrenzt.
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Die negativen Spannungshalbwellen des Generators 10 werden dagegen
durch den Thyristor 18 auf einen bestimmten Effektivwert der Generatorspannung begrenzt.
Beim Auftreten einer negativen Spannungshalbwelle fließt wiederum ein Strom durch
die Brückenschaltung mit den Widerständen 19, 20, 21 und der Glühlampe 22, da die
Diode 28 für diese Halbwellen in Sperrichtung liegt, werden die Transistoren 25
und 26 emitterseitig über den Widerstand 27 auf das Potential der Anschlußklemme
17 gelegt. Der Widerstand der Glühlampe 22 ändert sich mit dem Effektivwert der
Generatorspannung, so daß davon abhängig die Brückenspannung zwischen den Anschlußpunkten
23 und 24 veränderter wird. Das Potential am Punkt 23 wird dabei negativer als das
Potential am Punkt 24, so daß nunmehr der Thristor 18 über den Transistor 25 durchgesteuert
wird und den Generator 10 abhängig vom Effektivwert der Generatorspannung diesen
schon kurz nach Beginn der negativen Spapnungshalbwelle überbrückt. Beim Leerlauf
werden daher die negativen Spannungshalbwellen des Generators 10 durch den Thyristor
18 praktisch vollständig kurzgeschlossen, während die positiven Halbwellen erst
beim Erreichen bzw. Überschreiten eines bestimmten Scheitelwertes der--Spannung
durch den Thyristor 29 kurzgeschlossen werden.
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Bei geschlossenem Schalter 14 ist die Glühlampe 13 am Generator 10
angeschlossen. Auch jetzt ist die Belastung des Generators 10 noch relativ gering,
so daß die positiven Spannungshalbwellen durch den Thyristor 29 in ihrer Amplitude
auf 27 V begrenzt werden und der Effektivwert der Wechselspannung durch den Thyristor
18 auf z.B. 13 V begrenzt wird. Werden dagegen weitere Verbraucher eingeschaltet,
so sinkt durch diese Belastung die Generatorspannung.
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Die Amplitude der positiven Halbwellen erreicht nun nicht
mehr
den maximal zulässigen Wert und der Thyristor 29 wird folglich nicht mehr angesteuert.
Die Effektivwertregelung der Generatorspannung über die Anschnittsteuerung des Thyristors
18 bleibt aber weiterhin wirksam, indem der Thyristor 18 bei zunehmender Belastung
des Generators 10 während der negativen Spannungshalbwellen zu einem späteren Zeitpunkt
durchgesteuert wird.
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Figur 2 zeigt, daß der Spannungsverlauf Uo bei Leerlauf ebenso wie
der Spannungsverlauf U bei Last nur im unteren Drehzahlbereich, wenn der Spannungsregler
15 noch nicht voll wirksam ist, unterschiedliche Werte aufweist.
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Beim Erreichen des gewünschten Effektivwertes des Spannung wird der
Spannungsregler 15 voll wirksam und hält so die Leerlaufspannung als auch die Last
spannung über den gesamten Drehzahlbereich des Generators 10 konstant.