DE3929938A1

DE3929938A1 - Overvoltage protection circuit for dynamo-using appliance - has two freewheeling voltage sources of different strength connectable to short circuit by overvoltage detector

Info

Publication number: DE3929938A1
Application number: DE19893929938
Authority: DE
Inventors: Bernward Stoll
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1991-03-21

Abstract

The protection is effective in the instance of a load drop. The circuit has a switch controlled in pulse operation in dependence on the dynamo voltage. The switch disconnects and excitation coil of the dynamo from the operaitonal voltage in case of an overvoltage. A freewheeling diode forms a freewheel voltage and is used for short circuiting the disconnected excitation coil. A freewheel voltage source supplies a second freewheel voltage higher than the first one and is connectable into the short circuit of the excitation coil (1) on load drop via an overvoltage detector (8). Thus the excitation coil is supplied with a second freewheel voltage, opposing the disconnected excitation voltage. ADVANTAGE - Reduction of excitation current in the excitation coil on overvoltage without increasing lossy output in dynamo normal operation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überspan nungsschutz von Verbrauchern an Lichtmaschinen bei Lastabwurf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for spanning Protection of consumers against alternators in the event of load shedding according to the preamble of claim 1.

Bei einer derartigen bekannten Schaltungsanordnung wird von einem Spannungsregler Gebrauch gemacht, der in Abhängigkeit von der von der Lichtmaschine abgegebenen Spannung den Erreger strom durch die Feldwicklung im Pulsbetrieb so steuert, daß der Mittelwert des Erregerstroms die gewünschte Ausgangsspan nung der Lichtmaschine ergibt. Der Erregerstrom wird dabei durch einen gesteuerten Schalter, z.B. einen Darlington-Tran sistor geschaltet. Durch den Pulsbetrieb tritt in dem gesteu erten Schalter nur eine kleine Verlustleistung auf. Dabei wird die Spannung zwischen einer Betriebsspannung und einer Spannung annähernd 0 hin- und hergeschaltet. Es ist bekannt, daß die Verlustleistung von der Spannungsdifferenz zwischen beiden Schaltzuständen abhängt. Damit bei dem Abschalten der Betriebsspannung von der Feldwicklung keine unerwünschten Spannungsspitzen auftreten und der Erregerstrom definiert abklingen kann, ist eine Diode, eine sogenannte Freilaufdiode, in einem Kurzschlußkreis der Feldwicklung angeordnet. Beim Abschalten der Feldwicklung von der Betriebsspannung wird der Erregerstrom von der Freilaufdiode übernommen. Der Erreger strom klingt nach einer Ausgleichsfunktion ab, deren Zeitkon stante von der Induktivität und dem Widerstand in dem Kurz schlußkreis abhängt. - Da die Zeitkonstante in dem Erreger stromkreis nicht beliebig klein bemessen werden kann, da dies eine größere Welligkeit des Erregerstroms in dem normalen Betrieb und damit eine entsprechende Welligkeit der Ausgangs spannung der Lichtmaschine hervorrufen würde, klingt der Erregerstrom im Falle eines Schaltens der Feldwicklung von der Betriebsspannung bei Überspannung nur relativ langsam ab. Deswegen ist es notwendig, eine zusätzliche vorgesehene Über spannungsschutzeinrichtung, die zwischen einem Ausgang der Lichtmaschine und dem Verbraucher angeordnet ist, verhältnis mäßig aufwendig zu dimensionieren, um die überschüssige Energiemenge durch Kurzschluß oder Begrenzung abzubauen, während das Erregerfeld abklingt.In such a known circuit arrangement of made use of a voltage regulator which is dependent the exciter from the voltage emitted by the alternator controls current through the field winding in pulse mode so that the mean value of the excitation current the desired output span voltage of the alternator results. The excitation current is thereby by a controlled switch, e.g. a Darlington Tran sistor switched. The pulse mode occurs in the control switch only a small power loss. Here the voltage between an operating voltage and a Voltage switched back and forth approximately 0. It is known, that the power loss from the voltage difference between depends on both switching states. So when you turn off the Operating voltage from the field winding no undesirable Voltage peaks occur and the excitation current is defined can decay is a diode, a so-called free-wheeling diode, arranged in a short circuit of the field winding. At the The field winding is switched off from the operating voltage Excitation current taken from the freewheeling diode. The pathogen current decays after a compensation function, the time con ate from inductance and resistance in the short final circle depends. - Because the time constant in the pathogen circuit can not be dimensioned as small as this a greater ripple in the excitation current in the normal Operation and thus a corresponding ripple of the output the voltage of the alternator would sound Excitation current in the case of switching the field winding from the operating voltage in the event of overvoltage only decreases relatively slowly. That is why it is necessary to provide an additional over voltage protection device between an output of the Alternator and the consumer is arranged, ratio moderately expensive to dimension the excess To reduce the amount of energy by short circuit or limitation, while the excitation field subsides.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung zum Überspannungsschutz der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß der Erregerstrom in der Feld wicklung im Überspannungsfall abgebaut wird, ohne die Verlust leistung und die Welligkeit im normalen Betrieb der Lichtma schine zu erhöhen.The invention is therefore based on the object of a scarf arrangement for surge protection of the aforementioned Genus so that the excitation current in the field winding is broken down in the event of overvoltage without the loss power and the ripple in normal operation of the Lichtma seem to increase.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung der Schaltungsanord nung mit den in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This task is accomplished by training the circuit arrangement with the in the characterizing part of claim 1 specified features solved.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung arbeitet der abhängig von der Lichtmaschinenspannung im Pulsbetrieb gesteu erte Schalter im normalen Spannungsregelbereich solange kein plötzlicher starker Lastabfall aufgetreten ist, auf die Feldwicklung und die in dem Kurzschlußkreis der Feldwicklung angeordnete normale Freilaufdiode, die an der von der Betriebs spannung abgeschalteten Feldwicklung nur eine geringe Gegen spannung entsprechend der Diodenschwellspannung erzeugt. Der Erregerstrom der von der Betriebsspannung abgeschalteten Feldwicklung klingt daher normalerweise nur langsam ab, und es entsteht eine geringe Welligkeit des Erregerstroms. Die Verlustleistung ist in diesem üblichen Regelbetrieb verhält nismäßig klein, da der gesteuerte Schalter nur zwischen Be triebsspannung und 0 hin- und herschaltet. - Beim plötzlichen Abwurf größerer Lasten, wenn die Ausgangsspannung der Licht maschine daher stark ansteigt, wird das Abklingen des Erreger stroms durch das Einschalten der zweiten Freilaufspannung, die höher als die erste Freilaufspannung der Freilaufdiode ist, beschleunigt. Demzufolge wird eine Spannungsspitze der Betriebsspannung schnell abgebaut. Eine zwischen dem Ausgang der Lichtmaschine und den Verbauchern angeordnete Überspan nungsschutzeinrichtung kann leistungsschwach ausgelegt werden, da die für die Zeit der Überspannung aufzunehmende überschüs sige Energie verhältnismäßig gering ist. - Die Umschaltung von dem normalen Spannungsregelbetrieb, bei dem nur die übliche Freilaufdiode wirksam ist, auf den Betriebsfall des Überspannungsschutzes in dem Feldwicklungskreis, bei der zusätzlich zu der normalen Freilaufdiode oder statt dieser Freilaufdiode die Quelle der zweiten Freilaufspannung wirksam wird, erfolgt selbsttätig durch den Überspannungsdetektor. Dieser Überspannungsdetektor ist auf eine vorgegebenen Über spannung einstellbar, ab der die Freilaufspannungsquelle der zweiten Freilaufspannung wirksam werden soll. - Der zusätz liche Aufwand für die zweite Freilaufspannungsquellle und den Überspannungsdetektor ist kleiner als der sonst erforderliche Aufwand für eine leistungsfähigere Überspannungsschutzeinrich tung zwischen dem Ausgang der Lichtmaschine und den Verbrau chern, die geschützt werden sollen, beispielsweise elektroni sche Baugruppen und Lampen in Kraftfahrzeugen. In the circuit arrangement according to the invention, the depending on the alternator voltage in pulse mode switches in the normal voltage regulation range as long as none sudden heavy load drop has occurred to the Field winding and those in the short circuit of the field winding arranged normal freewheeling diode, which is connected to that of the operating voltage switched off field winding only a slight counter voltage generated according to the diode threshold voltage. The Excitation current of the switched off from the operating voltage Field winding therefore usually decays slowly, and there is a slight ripple in the excitation current. The Power loss behaves in this normal control mode small as the controlled switch only between Be drive voltage and 0 switches back and forth. - Suddenly Shedding larger loads when the output voltage of the light machine therefore rises sharply, the pathogen decays current by switching on the second freewheel voltage, which is higher than the first freewheeling voltage of the freewheeling diode is accelerated. As a result, a voltage spike of Operating voltage reduced quickly. One between the exit arranged over the span of the alternator and the consumers Protection device can be designed to perform poorly, since the surplus to be absorbed for the time of overvoltage energy is relatively low. - The switchover from the normal voltage control mode, in which only the usual freewheeling diode is effective on the operating case of Overvoltage protection in the field winding circuit at in addition to or instead of the normal freewheeling diode Free-wheeling diode the source of the second free-wheeling voltage effective is carried out automatically by the overvoltage detector. This surge detector is at a predetermined over voltage adjustable, from which the freewheel voltage source of the second freewheeling voltage should take effect. - The additional effort for the second freewheel voltage source and the Surge detector is smaller than what is otherwise required Effort for a more powerful surge protection device between the output of the alternator and the consumption chers to be protected, for example electronics cal assemblies and lamps in motor vehicles.

Eine besonders wenig aufwendige Freilaufspannungsquelle einer definierten zweiten Freilaufspannung ist eine Zenerdiode gemäß Anspruch 2.A particularly inexpensive one-way voltage source defined second freewheeling voltage is a zener diode according to claim 2.

Zur Umschaltung von der normalen Freilaufdiode auf die Zener diode als Freilaufspannungsquelle genügt ein einfacher Schließer parallel zu der Zenerdiode bzw. der Freilaufspan nungsquelle der zweiten Freilaufspannung nach Anspruch 3. Im normalen Spannungsregelbereich ist daher nur die übliche Freilaufdiode wirksam. Bei Lastabwurf wird durch den Überspan nungsdetektor der Schließer geöffnet, so daß jetzt die Zener diode in Reihe mit der üblichen Freilaufdiode in dem Kurz schlußkreis der Feldwicklung liegt.For switching from the normal freewheeling diode to the Zener a simple freewheel voltage source is sufficient NO contact parallel to the Zener diode or the freewheeling chip voltage source of the second freewheeling voltage according to claim 3. Im normal voltage regulation range is therefore only the usual one Free-wheeling diode effective. In the event of load shedding, the over-span voltage detector the normally open, so that now the Zener diode in series with the usual freewheeling diode in the short final circle of the field winding lies.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren beschrieben. Es zeigt:The invention is based on a drawing with described two figures. It shows:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz als schematisches Schaltbild und Fig. 1 shows an embodiment of the circuit arrangement for overvoltage protection as a schematic circuit diagram and

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Erregerspannung und des Erreger stroms. Fig. 2 is a timing diagram of the excitation voltage and the excitation current.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Feldwicklung einer Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs bezeichnet, deren Erregerstrom mit einem spannungsgesteuerten Regler 2 so gesteuert werden soll, daß die Lichtmaschine möglichst eine vorgegebene Betriebsspannung B+ und B- erzeugt, mit der die Verbraucher beaufschlagt werden. Zwischen einem Ausgang der Lichtmaschine und den nicht gezeigten Verbrauchern ist eine Überspannungsschutzein richtung - nicht dargestellt - angeordnet, die für die Auf nahme einer verhältnismäßig geringen Leistung ausgelegt sein kann.In Fig. 1, 1 denotes a field winding of an alternator of a motor vehicle, the excitation current of which is to be controlled with a voltage-controlled regulator 2 in such a way that the alternator generates a predetermined operating voltage B + and B- with which the loads are applied. Between an output of the alternator and the consumers, not shown, an overvoltage protection device - not shown - is arranged, which can be designed for receiving a relatively low power.

Die Eingänge des Reglers 2 liegen an den Leitungen D+ sowie B- des Kraftfahrzeugs, die mit der Betriebsspannung, d.h. der von der Lichtmaschine abgegebenen Spannung, beaufschlagt werden. Eine Leitung 3 an einem Ausgang des Reglers 2 führt zu einem Steuereingang - Basis - eines Transistors 4 als ge steuertem Schalter. Der Kollektor-Emitterkreis des Transi stors 4 verbindet die Feldwicklung 1 mit der Leitung B-. Die Feldwicklung 1 liegt außerdem in einem Kurzschlußkreis, der sich über die Leitung D+ schließt und in dem die Freilaufdio de 5 sowie in Serie zu dieser eine Parallelschaltung einer Zenerdiode 6 und eines Schließers 7 liegen. Der Schließer 7 wird durch einen Überspannungsdetektor 8 gesteuert - Steuer leitung 9 - und erhält ein Eingangssignal von der Leitung B+.The inputs of the controller 2 are on the lines D + and B- of the motor vehicle, which are supplied with the operating voltage, ie the voltage emitted by the alternator. A line 3 at an output of the controller 2 leads to a control input - base - of a transistor 4 as a ge controlled switch. The collector-emitter circuit of the transistor 4 connects the field winding 1 to line B-. The field winding 1 is also in a short circuit, which closes over the line D + and in which the freewheeling de 5 and in series with this a parallel connection of a Zener diode 6 and a closer 7 are. The closer 7 is controlled by an overvoltage detector 8 - control line 9 - and receives an input signal from line B +.

Die Wirkungsweise der dargestellten Schaltungsanordnung ist im folgenden zusätzlich anhand des Zeitdiagramms in Fig. 2 erläutert: Im normalen Regelbereich des Reglers 2, wenn die Betriebsspan nung auf den Leitungen D+ und B- den vorgegebenen Bereich nicht überschreitet, erfolgt eine übliche Regelung der Be triebsspannung durch Einstellung eines Mittelwerts des Erre gerstroms I entsprechend Spannungsimpulsen U, mit denen die Erregerwicklung 1 bis zum Zeitpunkt t₁ gespeist wird. Es kann aus Fig. 2 entnommen werden, daß bei diesem Betrieb die Er regerspannung zwischen einem Maximalwert - der Betriebsspan nung - und einem Wert nahe 0 schwankt. Die Verlustleistung durch den schaltenden Transistor 4 ist daher gering. Bei geöffnetem Transistor 4 nimmt die Erregerspannung U einen etwas kleineren Wert als 0 infolge der Schwellspannung der Diode 5 an, die in dieser Betriebsphase wirksam ist. Es kann nämlich der Erregerstrom in dieser Betriebsphase in dem Kurz schlußkreis über die Freilaufdiode 5 und den geschlossenen Schließer 7 abklingend weiterfließen. Die Zenerdiode 6 ist in diesem Betriebsfall kurzgeschlossen.The operation of the circuit arrangement shown is also explained below with reference to the time diagram in Fig. 2: In the normal control range of the controller 2 , when the operating voltage on the lines D + and B- does not exceed the predetermined range, the operating voltage is normally regulated by setting an average of the Erre gerst roms I corresponding voltage pulses U, with which the excitation coil 1 to the time t is fed. ₁ It can be seen from FIG. 2 that in this operation the excitation voltage fluctuates between a maximum value - the operating voltage - and a value close to 0. The power loss through the switching transistor 4 is therefore low. When transistor 4 is open, excitation voltage U assumes a somewhat smaller value than 0 as a result of the threshold voltage of diode 5 , which is effective in this operating phase. It can namely the excitation current in this operating phase in the short circuit on the freewheeling diode 5 and the closed closer 7 continue to flow. The Zener diode 6 is short-circuited in this operating case.

Erst wenn bei einem plötzlichen starken Lastabfall zum Zeit punkt t₁ die Betriebsspannung plötzlich stark ansteigt, wird dies von dem Überspannungsdetektor 8 erkannt, der den Schlie ßer 7 öffnet. Es liegt jetzt die Zenerdiode 6 wirksam in Reihe zu der Freilaufdiode 5. Wenn daher zum Zeitpunkt t₁ der Regler 2 den Transistor 4 öffnet, fällt die Erregerspannung U nicht nur bis zu einem Wert nahe 0, sondern infolge der umgestellten Polung der Zenerdiode auf einen größeren nega tiven Wert der Zenerspannung entgegengesetzt der Betriebs spannung ab. Dies bedeutet ein sehr rasches Abklingen des Erregerstroms I, der einem nicht erreichten Höchstwert ent gegengesetzt der normalen Stromlaufrichtung zustrebt. Der schaltende Transistor 4 wird allenfalls kurzzeitig mit einer höheren Verlustleistung beim Schalten beaufschlagt, wenn diese Zenerspannung U_z wirksam wird. Da die Überspannung der Betriebsspannung entsprechend dem abklingenden Erregerstrom sehr rasch abgebaut wird, braucht in der zusätzlichen, nicht dargestellten Überspannungsschutzeinrichtung am Ausgang der Lichtmaschine nur wenig elektrische Energie aufgenommen und von den Verbrauchern ferngehalten zu werden.Only when the operating voltage suddenly rises sharply in the event of a sudden heavy load drop at the point in time t ₁ is this detected by the overvoltage detector 8 , which opens the closer 7 . The Zener diode 6 is now effectively in series with the freewheeling diode 5 . Therefore, if at the time t ₁ the controller 2 opens the transistor 4 , the excitation voltage U not only drops to a value close to 0, but due to the reversed polarity of the zener diode to a larger negative value of the zener voltage opposite the operating voltage. This means a very rapid decay of the excitation current I, which strives for an unattained maximum value opposite the normal current direction. The switching transistor 4 is briefly subjected to a higher power loss when switching, if this Zener voltage U _z becomes effective. Since the overvoltage of the operating voltage is reduced very quickly in accordance with the decaying excitation current, only little electrical energy needs to be absorbed in the additional overvoltage protection device (not shown) at the output of the alternator and kept away from the consumers.

Claims

1.Circuit arrangement for overvoltage protection of consumers on alternators in the event of load shedding, with a switch which is controlled as a function of the alternator voltage in pulsed operation and which switches off a field winding of the alternator in the event of overvoltage from an operating voltage, and with a freewheeling diode which forms a first freewheeling voltage and via which the switched off field winding is closed in a short circuit, characterized in that a freewheeling voltage source of a second freewheeling voltage, which is higher than the first freewheeling voltage, by an overvoltage detector ( 8 ) in the short circuit of the field winding ( 1 ) in the event of load shedding so that bar the field winding is supplied with a second freewheeling voltage opposite to the switched-off excitation voltage.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a Zener diode ( 6 ) is provided as the freewheeling voltage source, the Zener voltage of which forms the second freewheeling voltage.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the Zener diode ( 6 ) with the freewheeling diode ( 5 ) in the short circuit is in series and that a normally open contact ( 7 ) is arranged in parallel with the Zeneridode, which by the overvoltage detector ( 8 ) Overvoltage is opened.

4. Circuit arrangement according to one of claims 1-3, characterized, that between an output of the alternator and the ver Surge protection device provided to users is.