DE3641321A1 - Spannungsdetektor fuer wechselstromgeneratoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsdetektor für die Phasenspannungen von Wechselstromgeneratoren, insbesondere von Motorfahrzeugen, mit mindestens einer Phasenwicklung und einer daran angeschlossenen Gleich­ richterbrücke, die mindestens zwei Gleichrichterelemente aufweist, deren Verbindungspunkt mit der Phasenwicklung verbunden ist, die ein alternierendes Phasensignal mit positiven und negativen Komponenten liefert.

Es ist bekannt, daß Wechselstromgeneratoren für Motor­ fahrzeuge durch Messen der Phasenspannung darauf über­ wacht werden, ob der Wechselstromgenerator einwandfrei arbeitet. Insbesondere ist eine solche Überwachung er­ forderlich, um einen möglichen Bruch des Antriebsriemens oder andere Fehlfunktionen des Generators zu erkennen. Bei solchen Wechselstromgeneratoren sind die Phasen­ wicklungen an eine Gleichrichterbrücke angeschlossen, deren Zweige aus jeweils zwei Dioden pro Phase bestehen, und die Phasenspannungen werden den Verbindungspunkten zwischen den Dioden der Brücke zugeführt, während eine Batterie an die Endanschlüsse jedes Zweiges angeschlossen ist. An den Verbindungspunkten jedes Zweiges der Gleich­ richterbrücke entsteht eine etwa rechteckige Wechsel­ spannung, weil bei Lieferung von Strom durch die Phasen­ wicklungen die Verbindungspunkte einen Spannungswert erreichen, der höher als die Batteriespannung ist, wobei an der Anode der Diode die Gleichspannung anliegt, während die Spannung die an Masse anliegende Spannung unter­ schreitet, wenn kein Strom geliefert wird. Diese Recht­ eckwellenspannung, die normalerweise nur einer der drei Phasenzweige entnommen wird, wird dann ausgewertet, um die einwandfreie Arbeitsweise des Generator-Gleichrichter­ brücken-Systems zu überwachen. Für eine solche Überwachung ist es erforderlich, die Rechteckwellenspannung zu filtern, um ein kontinuierliches Signal zu erzeugen. Hierzu werden derzeit zwei verschiedene Systeme verwendet. Ein erstes besteht in der Benutzung eines RC-Filters, das jedoch einen verhältnismäßig hohen Platzbedarf hat, denn bei einer Arbeitsfrequenz des Wechselstromgenerators von etwa 1000 bis 3000 Hz ist ein verhältnismäßig großer Kondensator erforderlich, wobei diese Frequenz von der Drehzahl des Generators und dessen Anzahl von Polen abhängt. Aufgrund der großen Abmaße des Filterkondensators kann dieser nicht integriert werden, so daß das Gesamt­ system sehr viel Platz beansprucht. Ein zweites Filter­ system besteht darin, daß digitale Komponenten verwendet werden, wobei digitale Verzögerungen durch Zähler erzeugt werden, wenn es erwünscht ist, das System teilweise oder voll zu integrieren. Eine solche Lösung hat jedoch eben­ falls Nachteile, weil für eine solche Schaltung eine ver­ hältnismäßig große Halbleiterfläche bereitgestellt werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsdetektor für die Phasenspannungen von Wechsel­ stromgeneratoren, insbesondere von Motorfahrzeugen, vorzu­ schlagen, der das gewünschte Ausgangssignal bezüglich der einwandfreien Funktion des Generator-Gleichrichterbrücken- Systems bei geringem Aufwand und kleinen Abmaßen liefert. Insbesondere soll ein Spannungsdetektor dieser Art vorge­ schlagen werden, der auf einfache Weise in einer kleinen Fläche integriert werden kann, geringe Produktionskosten verursacht und zumindest eine ähnlich gute Funktion wie bisher bekannte Systeme hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Spannungs­ detektor der eingangs genannten Art gelöst, welcher gekennzeichnet ist durch eine Gleichrichterschaltung, die an dem Verbindungspunkt der Gleichrichterelemente ange­ schlossen ist, um das Phasensignal gleichzurichten und ein gleichgerichtetes Ausgangssignal mit nur einer Polarität zu erzeugen.

Im wesentlichen macht die Erfindung von der Erkenntnis Gebrauch, daß das Phasensignal eine negative Komponente hat, die dazu herangezogen wird, ein Ausgangssignal mit nur einer Polarität ohne die Benutzung von Filtern zu erzeugen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels hervor, wobei auf die beigefügten Zeichnun­ gen Bezug genommen wird.

Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Wechselstromgenerators mit einer Gleichrichterbrücke, wie er derzeit gebräuchlich ist;

Fig. 2 die Schwankungen eines Phasensignals, das zur Überwachung des Generators verwendet wird, in Abhängigkeit mit der Zeit; und

Fig. 3 das Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungsdetektors.

In Fig. 1 ist vereinfacht eine Generatorschaltung mit einem Wechselspannungsgenerator und einer Gleichrichterbrücke gezeigt, um die Erzeugung des Phasensignals zu erläutern, das überwacht werden soll. An den Generator 1 ist eine Gleichrichterbrücke 2 angeschlossen. Insbesondere enthält der Wechselstromgenerator 1 drei Wicklungen 3, 3′ und 3′′, die mit Verbindungspunkten 7,7′ und 7′′ von drei Gleich­ richterzweigen verbunden sind, die wiederum aus oberen Dioden 5, 5′ und 5′′ und unteren Dioden 6, 6′ und 6′′ be­ stehen. An den Gleichrichter ist eine Batterie 4 angeschlos­ sen, und zwar an die Anoden der Dioden 6, 6′, 6′′ und die Kathoden der Dioden 5, 5′, 5′′. Die an den Verbindungs­ punkten 7, 7′ und 7′′ der Gleichrichterzweige gegenüber Minuspotential auftretende Spannung ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Spannung enthält eine positive Komponente oder Halbwelle sowie eine negative Komponente oder Halbwelle, wobei die Amplitude der negativen Komponente kleiner ist als die der positiven Komponente. Die Erfindung nutzt nun das Vorhandensein dieser negativen Komponenten aus, um durch Gleichrichtung ein Ausgangssignal mit nur einer Pola­ rität (z.B. positiver Polarität) zu erzeugen, das den Arbeitszustand des Wechselstromgenerators anzeigt und z.B. eine Warnlampe oder dergleichen einschaltet. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die negative Halbwelle mit einem anderen Verstärkungsfaktor verstärkt als die positive Halbwelle, um auf diese Weise ein praktisch kontinuierliches Signal zu erzeugen.

Zu diesem Zwecke ist ein Spannungsdetektor gemäß Fig. 3 vorgesehen, der einen ersten, gleichrichtenden Verstärker 11 für die negative Halbwelle und einen zweiten, gleich­ richtenden Verstärker 12 für die positive Halbwelle ent­ hält, wobei beide Verstärker zueinander parallel ange­ ordnet sind und die Ausgangssignale an einem Addieran­ schluß 13 addiert werden. Der Verstärkungszweig für die negative Komponente enthält einen Operationsverstärker 15, dessen nicht invertierender Eingang mit Masse und dessen invertierender Eingang mit dem Verbindungspunkt 7, 7′ oder 7′′ verbunden ist und das Phasensignal erhält. Die Ver­ stärkungsstufe 11 enthält weiterhin Widerstände 16 und 17, deren Verhältnis zueinander in bekannter Weise die Ver­ stärkung dieser Stufe bestimmt. Weiterhin ist eine Diode 18 vorgesehen, deren Anode mit dem Ausgang des Operations­ verstärkers 15 und dessen Kathode mit dem Widerstand 17 (also dem Ausgang) verbunden ist, um die negative Komponente am Ausgang des Verstärkers 15 zu sperren. Weiterhin ent­ hält diese Stufe einen Widerstand 20.

Die Verstärkerstufe 12 enthält einen Operationsver­ stärker 22, dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 29 an dem gleichzurichtenden Phasen­ signal angeschlossen ist, während der invertierende Ein­ gang mit einem mit Masse verbundenen Spannungsteiler aus Widerständen 23 und 24 verbunden ist, dem das Ausgangs­ signal des Verstärkers zuführbar ist. Weiterhin enthält diese Stufe 12 eine Gleichrichterdiode 26 und einen Addierwiderstand 28. Schließlich enthält die gesamte Schaltung einen Verstärker 30 zur Verstärkung des Additions­ signals.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 arbeitet wie folgt. Wenn das Generator-Gleichrichterbrücken-System 1, 2 einwandfrei arbeitet, so wird das in Fig. 2 gezeigte Signal den Eingängen der beiden Verstärker 15 und 22 zu­ geführt. Bei Vorhandensein der negativen Halbwelle am invertierenden Eingang des Verstärkers 15 wird an dessen Ausgang ein positives Ausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude von dem Verhältnis der Widerstände 16 und 17 abhängt. Da dieses Signal positiv ist, wird es durch die Diode 18 durchgelassen und gelangt an den Addierpunkt 13. Gleichzeitig gelangt die negative Halbwelle an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 22 und erzeugt am Ausgang ein negatives Signal, das jedoch durch die Diode 26 gesperrt wird. Dies hat also zur Folge, daß am Ver­ bindungspunkt 13 nur das Signal liegt, das von dem Ver­ stärker 15 aus der negativen Halbwelle erzeugt wurde, die invertiert und verstärkt wurde. Während der positiven Halbwelle dagegen ist das Ausgangssignal dieses Ver­ stärkers negativ und wird durch die Diode 18 gesperrt. Andererseits liefert der Verstärker 22 an seinem Ausgang ein positives Signal, das über die leitende Diode 26 an den Verbindungspunkt 13 geliefert wird. Dementsprechend steht an dem Verbindungspunkt 13 also ein Signal an, dessen Amplitude proportional dem Ausgangssignal des Verstärkers 22 ist. Durch entsprechende Einstellung der Widerstände 16 und 17, 23 und 24 ist es möglich, an dem Verbindungs­ punkt 13 Signale zu erzeugen, die abwechselnd durch die Stufen 11 oder 12 geliefert werden und jeweils die gleiche Amplitude aufweisen. Hat die positive Halbwelle z.B. einen Wert von 15 V und die negative Halbwelle eine Amplitude von -1 V, so können die Widerstände 16 und 17 derart einge­ stellt werden, daß die Verstärkungsstufe 11 eine inver­ tierende Verstärkung von 15 hat, während die Stufe 12 auf eine Verstärkung von 1 eingestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, der Stufe 11 eine kleinere Verstärkung zu geben, wobei die Verstärkung der Stufe 12 dann kleiner als 1 sein muß. Dieses praktisch kontinuierliche Ausgangs­ signal am Verbindungspunkt 13 wird dem Verstärker 30 zugeführt, der auch als Vergleichsschaltung ausgebildet sein kann. Auf diese Weise wird das so verarbeitete Signal dazu benutzt, eine beliebige Fehlfunktion des Generator- Gleichrichterbrücken-Systems anzuzeigen. In der Schaltungs­ anordnung nach Fig. 3 kann, falls gewünscht, ein Filter vorgesehen werden, um Impulsspitzen zu eliminieren, die aufgrund von nicht eckeckförmigen Spannungen des Phasen­ signals verursacht werden. Da diese Spitzen jedoch sehr kurz sind, kann ein hierfür erforderliches Filter auf einfache Weise integriert werden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, er­ füllt die erfindungsgemäße Lösung die gestellte Aufgabe zur vollen Zufriedenheit. Auf diese Weise wird ein sehr einfacher Spannungsdetektor vorgeschlagen, der auf einfache Weise integriert werden kann und ein Signal für eine nachfolgende Verarbeitung abgibt.

Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Differenz­ verstärkung der beiden Halbwellen beschrieben wurde, um ein etwa kontinuierliches Signal zu erzeugen, so ist die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel nicht beschränkt. Die Erfindung umfaßt vielmehr alle solche Ausführungs­ formen, bei denen im Prinzip das Phasensignal gleichge­ richtet wird (im vorliegenden Fall durch zwei verschiedene Verstärker), um ein Signal mit nur einer Polarität (ent­ weder einer positiven oder einer negativen Polarität) zu erzeugen, das zur Überwachung des Betriebes des Wechsel­ stromgenerators herangezogen werden kann.

Claims (5)

1. Spannungsdetektor für die Phasenspannungen von Wechselstromgeneratoren, insbesondere von Motorfahrzeugen, mit mindestens einer Phasenwicklung (3) und einer daran angeschlossenen Gleichrichterbrücke (2), die mindestens zwei Gleichrichterelemente (5, 6) aufweist, deren Ver­ bindungspunkt (7) mit der Phasenwicklung (3) verbunden ist, die ein alternierendes Phasensignal mit positiven und negativen Komponenten liefert, gekennzeichnet durch eine Gleichrichterschaltung, die an dem Verbindungspunkt (7) der Gleichrichterelemente (5, 6) angeschlossen ist, um das Phasensignal gleichzu­ richten und ein gleichgerichtetes Ausgangssignal mit nur einer Polarität zu erzeugen.

2. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Verstärker­ schaltung (12) und eine zweite, invertierende Ver­ stärkerschaltung (11) vorgesehen und parallel zueinander angeordnet sind, daß die erste und die zweite Verstärker­ schaltung (12, 11) abwechselnd und wahlweise je eine andere Komponente des Phasensignals verstärken und an entsprechenden Ausgängen abwechselnd Verstärker-Ausgangs­ signale der gleichen Polarität erzeugen, und daß an die Ausgänge der Verstärkerschaltungen (12, 11) eine Addier­ schaltung (28, 20) angeschlossen ist, die an ihrem Aus­ gang (13) das gleichgerichtete Ausgangssignal aus der Summe der Verstärker-Ausgangssignale erzeugt.

3. Spannungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltungen (12, 11) aus einem ersten und einem zweiten Operations­ verstärker (22, 15) mit je einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang bestehen, und daß das Phasensignal dem nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers (22) und dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Operationsverstärkers (15) zuführ­ bar ist.

4. Spannungsdetektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Gleichrichterdioden (26, 18), die an den Ausgängen der Operationsverstärker (22, 15) ange­ schlossen sind, um abwechselnd leitend zu werden und die Verstärker-Ausgangssignale an die Addierschaltung (28, 20) weiterzuleiten.

5. Spannungsdetektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Verstärkerschaltung (12, 11) voneinander abweichende Verstärkungsfaktoren aufweisen,um abwechselnd Verstärker- Ausgangssignale mit der gleichen Polarität und etwa gleicher Amplitude zu erzeugen, so daß die Addierschaltung (28, 20) an ihrem Ausgang (13) ein etwa kontinuierliches Signal liefert.