DE69604222T2 - Erregerschaltkreis für einen Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge und Regler mit einem solchen Wechselstromgenerator - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Schaltkreis zum Laden einer Batterie durch einen Wechselstromgenerator, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, und im einzelnen einen neuen Erregerschaltkreis für einen Wechselstromgenerator, der ein Erregungsrücksignal an den Motor des Fahrzeugs liefert.
• In Fig. 1a ist ein Schaltkreis zu erkennen, wobei die Erregerwicklung Ex des Wechselstromgenerators dargestellt ist, dessen erste Klemme mit der positiven Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators ("B+ Wechselstromgenerator") verbunden ist und dessen zweite Klemme mit dem Kollektor eines Erregungssteuerungs-Leistungstransistors Tex verbunden ist. Der Emitter von Tex ist mit der Masse verbunden, während seine Basis ein Erregungssteuerungssignal empfängt, das durch einen an sich bekannten Reglerschaltkreis geliefert wird.
• Der Kollektor von Tex ist außerdem mit der Kathode einer Diode D verbunden, deren Anode mit einem Ausgangsanschluß FR verbunden ist, dessen Aufgabe darin besteht, über ein Anschlußkabel C an einen Motorkontrollrechner CCM ein Signal zu liefern, das für die Änderungen der Frequenz und/oder des Tastverhältnis ses der durch die Wicklung Ex angelegten Erregung repräsentativ ist.
• Im Rechner CCM befinden sich ein als "Pull-up" bezeichneter Widerstand, der mit der Plusspannung "+Zündschlüssel" verbunden ist, und ein Serienwiderstand R2. Mit einem derartigen Rechner werden mittlerweile moderne Kraftfahrzeuge immer häufiger ausgerüstet, insbesondere um den Stromverbrauch der verschiedenen elektrischen Anlagen des Fahrzeugs in Abhängigkeit vom Zustand des Wechselstromgenerators und vor allem von seiner Verfügbarkeit zur Versorgung von zusätzlichen Verbrauchern, wie etwa Wasservorwärmkerzen, mit einem ausreichenden Strom zu steuern.
• Ein Regler, der einen derartigen Ausgangsschaltkreis umfaßt, wird als "Low-side"-Schaltung bezeichnet, insoweit sich der Steuertransistor Tex zwischen der Erregerwicklung Ex und der Masse befindet.
• Die Aufgabe der Diode D besteht darin, eine Dauererregung des Wechselstromgenerators für den Fall zu verhindern, in dem das Kabel C unvorhergesehenerweise mit der Masse kurzgeschlossen wird. Der Widerstand R1 ist aufgrund des Vorhandenseins dieser Diode vorgesehen.
• Außerdem ist eine sogenannte "High-side"-Schaltung bekannt, die in Fig. 1b dargestellt ist.
• Der Erregungssteuerungstransistor Tex (diesmal ein MOS-Transistor) ist zwischen der Wicklung Ex und der Plusspannung B+ des Wechselstromgenerators geschaltet.
• In diesem Fall hat die Diode D die Aufgabe, den völligen Wegfall der Erregung in dem Fall zu verhindern, in dem das Verbindungskabel C mit der Masse kurzgeschlossen wird.
• Das durch das Kabel C gelieferte Signal ist in diesem Fall jedoch nicht mit dem Rechner von Fig. 1a kompatibel. Genauer gesagt: Wenn der Wechselstromgenerator abgeschaltet ist, befindet sich die Wicklung Ex ständig auf dem positiven Potential B+, und dies kann, wenn der Wechselstromgenerator Salznebeln ausgesetzt ist, zu einer äußerst schnellen Korrosion bestimmter Bestandteile des Wechselstromgenerators führen.
• Dieses Problem existiert nicht bei der Schaltung von Fig. 1b, da sich die Erregerwicklung in diesem Fall auf dem Massepotential befindet, wenn der Wechselstromgenerator abgeschaltet ist.
• Darüber hinaus bewirkt bei der Schaltung von Fig. 1a ein Kurzschluß der Masseklemme der Wicklung Ex an der Masse eine übermäßige Erregung des Wechselstromgenerators und dadurch eine Überlastung der Batterie, während im Fall von Fig. 1b der Kurzschluß an der Masse der oberen Klemme der Wicklung Ex nicht zu dieser Erscheinung führt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einfacher, wirtschaftlicher und zuverlässiger Weise die Möglichkeit zu schaffen, einen Erregerschaltkreis der in Fig. 1b dargestellten Art mit einem Motorkontrollrechner zu betreiben, der ursprünglich für den Empfang von Signalen konzipiert wurde, die von einem Erregerschaltkreis gemäß Fig. 1a stammen. Mit anderen Worten: Die vorliegende Erfindung bezweckt die Bereitstellung eines Wechselstromgenerators mit geringer Empfindlichkeit gegenüber der durch Salznebel bedingten Korrosion und mit einem geringen Risiko einer Überlastung der Batterie, wobei gleichzeitig die Notwendigkeit entfallen soll, den bereits vorhandenen Motorkontrollrechner zu ändern oder zu ersetzen.
• Dazu schlägt die Erfindung einen Erregerschaltkreis für einen Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge, vor, der in der Lage ist, ein Anzeigesignal an eine Vorrichtung zur Kontrolle des Fahrzeugmotors anzulegen, wobei der Erregerschaltkreis eine Erregerwicklung, deren erste Klemme mit der Masse verbunden ist, und einen gesteuerten Schalter umfaßt, der zwischen der zweiten Klemme der Erregerwicklung und einer positiven Speisespannung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem eine geschützte Inverterschaltung umfaßt, von der ein Eingang mit der besagten zweiten Klemme der Erregerwicklung verbunden ist und von der ein Ausgang mit einer Anschlußklemme an die besagte Kontrollvorrichtung verbunden ist.
• - Für den Fall, daß die Kontrollvorrichtung in einer Eingangsstufe einen Ziehwiderstand zu einer positiven Spannung umfaßt, enthält die Inverterschaltung eine Schaltungsanordnung von Halbleiter-Bauelementen, die eine Stromspiegelschaltung mit Stromvervielfachung ohne Speisespannung bildet.
• - Die Stromspiegelschaltung umfaßt wenigstens ein Halbleiter-Bauelement, das mit der zweiten Klemme der Erregerwicklung durch einen Eingangswiderstand verbunden ist, und einen Transistor, der direkt mit der besagten Anschlußklemme verbunden ist.
• - Die Inverterschaltung umfaßt zwischen den Stromeingangs- und Stromausgangsklemmen des Transistors eine in Sperrichtung geschaltete Schutzdiode.
• - Die Inverterschaltung umfaßt zwischen einer Steuerklemme des Transistors und einer Stromeingangsklemme des Transistors wenigstens eine Zener-Schutzdiode (DZ).
• - Das besagte Halbleiter-Bauelement, das wenigstens vorgesehen ist, umfaßt einen anderen Transistor.
• - Die zwei Transistoren sind MOS-Transistoren und durch ihre Gates miteinander verbunden, wobei zwischen den besagten Gates und der Masse eine Zener- Diode vorgesehen ist.
• - Die zwei Transistoren sind Bipolartransistoren, und zwischen dem Emitter des mit der Anschlußklemme verbundenen Transistors und der Masse ist ein Strombegrenzungswiderstand vorgesehen.
• - Das besagte andere Halbleiter-Bauelement, das wenigstens vorgesehen ist, umfaßt wenigstens eine Diode, die in Durchlaßrichtung zwischen dem Eingangswiderstand und der Masse geschaltet ist.
• Außerdem schlägt die Erfindung eine Reglerschaltung für die Ladespannung zum Laden einer Batterie durch einen Wechselstromgenerator, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vor, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Erregerschaltkreis, wie er vorstehend definiert wurde, umfaßt, sowie einen Wechselstromgenerator, der eine solche Reglerschaltung enthält.
• Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die als Beispiel ohne einschränkende Wirkung und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angeführt wird. Darin zeigen im einzelnen:
• - Fig. 1a eine "Low-side"-Erregerschaltung nach dem bisherigen Stand der Technik in Verbindung mit einem Motorkontrollrechner;
• - Fig. 1b eine "High-side"-Erregerschaltung nach dem bisherigen Stand der Technik;
• - Fig. 2 ein Schaltbild einer Schaltung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
• - Fig. 3 die Hinzufügung eines Teils der Schaltung von Fig. 2 zu einer vorbestehenden integrierten Reglerschaltung;
• - Fig. 4 den Anschluß einer integrierten Reglerschaltung, die auf dem Siliziumchip den in Fig. 3 hinzugefügten Teil enthält;
• - Fig. 5 ein Schaltbild einer Schaltung nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung und
• - Fig. 6 ein Schaltbild einer Schaltung nach einer dritten Ausführungsart der Erfindung.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist eine "High-side"- Erregerschaltung dargestellt worden, die eine Erregerwicklung Ex umfaßt, deren erste Klemme mit der Masse und deren zweite Klemme mit der Source eines Erregungssteuerungstransistors Tex des MOS-Typs verbunden ist. Der Drain von Tex ist mit der positiven Gleichspannung B+ am Wechselstromgenerator verbunden, während sein Gate ein Erregungssteuerungssignal von den vorgeschalteten Stufen einer konventionellen Reglerschaltung erhält.
• Die Source von Tex ist mit dem Eingang einer insgesamt durch I bezeichneten Inverterschaltung verbunden, deren Ausgang mit dem Anschluß FR verbunden ist.
• Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird ein Inverter ausgeführt, der keine positive Speisespannung benötigt.
• Die Inverterschaltung von Fig. 2 umfaßt daher zwei MOS-Transistoren T1 und T2 in Stromspiegelschaltung. Die Aufgabe dieser Stromspiegelschaltung besteht darin, den durch den Transistor T2 fließenden Ausgangsstrom zu begrenzen und T2 gegen etwaige Kurzschlüsse mit einem positiven Potential am Ausgangsanschluß FR zu schützen.
• Der Widerstand Ri hat die Aufgabe, wenn der Erregungssteuerungstransistor Tex durchgeschaltet ist, den durch T1 fließenden Strom auf einen Wert beispielsweise in einer Größenordnung von 1 mA zu begrenzen. T2 wird mit einer Source-Fläche gewählt, die deutlich größer als die von T1 ist, so daß T2 einen Strom abgeben kann, der einem Vielfachen des durch T1 fließenden Stroms entspricht und beispielsweise in einer Größenordnung von 40 mA liegt.
• Dieser Strom ist ausreichend, um den Eingang des Rechners CCM zu laden, und ermöglicht es, einen Schutz von T2 gegen Kurzschlüsse sicherzustellen.
• Die Inverterschaltung I von Fig. 2 umfaßt außerdem Schutzmittel gegen elektrostatische Entladungen. Diese Mittel umfassen eine Diode D3, deren Kathode mit dem Drain von T2 verbunden ist und deren Anode mit der Masse verbunden ist, und ihre Aufgabe besteht darin, die negativen Entladungen zu absorbieren, denen der Transistor T2 ausgesetzt sein könnte. Diese Diode D3 kann entweder ein spezifisches Bauelement sein oder aus der Kastendiode des Transistors T2 bzw. aus der Störsperrdiode von T2 bestehen, falls es sich bei diesem, wie veranschaulicht, um einen MOS- Transistor handelt.
• Die positiven elektrostatischen Entladungen werden durch zwei Zener-Dioden D2 begrenzt, die zwischen dem Gate von T2 und seinem Drain in Reihe geschaltet sind.
• Außerdem ist eine weitere Zener-Diode DZ1 zwischen den Gates von T1 und T2 und der Masse vorgesehen, um sie gegen elektrostatisch bedingte Überspannungen zu schützen.
• Durch den Einsatz einer einfachen Stromspiegelschaltung mit Vervielfachungsfaktor wird daher ohne Notwendigkeit einer positiven Speisespannung eine geschützte Inverterschaltung ausgeführt, die am Anschluß FR das gleiche Signal liefern kann, wie es durch einen Erregerschaltkreis der in Fig. 1a dargestellten Art geliefert würde, wobei außerdem noch ein relativ großer Strom ausgangsseitig verfügbar ist.
• Fig. 3 veranschaulicht eine durch CI bezeichnete herkömmliche integrierte Reglerschaltung, die einen Siliziumchip PC enthält, der die herkömmlichen Filter-, Referenzspannungs- und Vergleichschaltungen sowie den Leistungstransistor Tex umfaßt.
• Diese integrierte Schaltung umfaßt sechs Anschlußstifte, die wie folgt zugeordnet sind:
• B1: obere Klemme der Erregerwicklung (Source von Tex)
• B2: Ausgang zum Anschluß FR
• B3: Steueranschluß für eine Fehlerkontrolleuchte
• B4: B+ Wechselstromgenerator
• B5: Phaseneingang 1
• B6: Phaseneingang 2
• Im Fall von Fig. 3 ist der Inverter I in Form eines kleinen Siliziumchips PC' als Ergänzung zum Hauptchip PC ausgeführt und in dessen Nähe angeordnet. Für die Zuschaltung des Inverters I braucht man nur seine Eingangsklemme mit dem Stift B1 und seine Ausgangsklemme mit dem Stift B2 zu verbinden, während seine Masse direkt an der Anschlußleiste der integrierten Schaltung C1 genommen wird. Dadurch daß keine Speise spannung erforderlich ist, wird der Anschluß des Inverters I entsprechend vereinfacht.
• Fig. 4 veranschaulicht den Fall, in dem ein einziger Chip PC" die Bauelemente der Chips PC und PC' von Fig. 3 enthält, wobei der Anschluß ebenso wie im Fall von Fig. 3 erfolgt.
• Nach einer anderen (nicht veranschaulichten) Ausführungsform kann die Inverterschaltung in Form einer spezifischen Schaltung vorgesehen sein, die physisch von der integrierten Hauptschaltung getrennt und beispielsweise am Bürstenhalter des Wechselstromgenerators angeordnet ist.
• Dabei ist festzustellen, daß die erfindungsgemäße Inverterschaltung mit einer Reglerschaltung in beliebiger Ausführung verbunden sein kann, entweder in herkömmlicher Ausführung oder mit progressiver Ladung oder mit Geschwindigkeitskontrolle usw.
• Fig. 5 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der Inverterschaltung.
• Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform von Fig. 2 dadurch, daß der Transistor T1 durch zwei bipolare Dioden D1 und D2 ersetzt wird, die zwischen dem Widerstand Ri und der Masse in Durchlaßrichtung in Reihe geschaltet sind. Wenn Tex durchgeschaltet ist, legt daher die Summierung der zwei Sperrschichtspannungen das Basispotential von T2 fest, bei dem es sich in diesem Fall um einen NPN- Bipolartransistor handelt.
• Der Kollektorstrom von T2 wird in diesem Fall durch einen Widerstand R3 begrenzt, der zwischen seinem Emitter und der Masse angeschlossen ist, wobei der Wert dieses Widerstands in einer Größenordnung von 10 Ω liegen kann.
• In dieser Schaltung entfällt die Zener-Diode DZ1, da ihre Schutzfunktion durch die Dioden D1 und D2 übernommen wird. Die anderen Schutzbauelemente, und zwar die Zener-Diode D2 und die Diode D3, bleiben dagegen erhalten.
• Im übrigen begrenzt ein Widerstand R4 den Strom in D1 und D2, wenn die Zener-Dioden D2 unter der Einwirkung einer elektrostatischen Entladung durchgeschaltet werden.
• Fig. 6 veranschaulicht eine dritte Ausführungsart der Inverterschaltung, die so ausgelegt ist, daß die Begrenzung des Stroms in geringerem Maße von der Temperatur abhängig ist als im Fall von Fig. 5.
• Im einzelnen dürfte verständlich sein, daß sich bei größeren Temperaturänderungen die Eigenschaften der Bauelemente Ri, D1, D2 und R3 der Schaltung von Fig. 5 so verändern, daß sich der durch T2 gelieferte Höchststrom mit steigender Temperatur verringert.
• Die Schaltung von Fig. 6 enthält eine Stromspiegelschaltung, die durch die Transistoren T1 und T2 in bipolarer Ausführung gebildet wird, wobei diese Stromspiegelschaltung jedoch durch einen Widerstand R3 mit geringem Wert einseitig belastet wird, der zwischen dem Emitter von T2 und der Masse angeordnet ist und der die Wirkung des Eingangswiderstands Ri ausgleichen kann.
• Da der Multiemitter-Transistor T2 eine geringere Stromdichte als T1 aufweist, neigt der Kollektorstrom zu einer Erhöhung mit steigender Temperatur, wodurch die vorgenannte Verringerung gut ausgeglichen wird.
• Im übrigen ist in der Schaltung von Fig. 6 ein anderer Bipolartransistor T3 vorgesehen, dessen Basis mit dem Kollektor von T1 verbunden ist, dessen Emitter mit der Basis von T1 verbunden ist und dessen Kollek tor mit der Erregerwicklung verbunden ist. Die Aufgabe dieser zusätzlichen Schaltung besteht darin, zu verhindern, daß die Basisströme von T1 und T2 durch den Widerstand Ri fließen, was zu einer deutlichen und schlecht kontrollierten Verringerung des durch T2 gelieferten Stroms am Ausgang des Inverters führen würde, was dem angestrebten Zweck zuwiderliefe.

Claims (11)

1. Erregerschaltkreis (Tex, Ex) für einen Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der ein Anzeigesignal an eine Vorrichtung zur Kontrolle (CCM) des Fahrzeugmotors anlegen kann, wobei der Erregerschaltkreis eine Erregerwicklung (Ex), deren erste Klemme mit der Masse verbunden ist, und einen gesteuerten Schalter (Tex) umfaßt, der zwischen der zweiten Klemme des Erregerschaltkreises und einer positiven Speisespannung (B+) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem eine geschützte Inverterschaltung (I) umfaßt, von der ein Eingang mit der besagten zweiten Klemme der Erregerwicklung verbunden ist und von der ein Ausgang mit einer Anschlußklemme (FR) an die besagte Kontrollvorrichtung verbunden ist.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1 für eine Kontrollvorrichtung, die in einer Eingangsstufe einen Ziehwiderstand (R1) zu einer positiven Spannung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterschaltung eine Schaltungsanordnung von Halbleiter-Bauelementen (T1, T2; D1, D2, T2) umfaßt, die einen Stromspiegelschaltung mit Stromvervielfachung ohne Speisespannung bildet.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung wenigstens ein Halbleiter-Bauelement (T1; D1, D2), das mit der zweiten Klemme der Erregerwicklung (Ex) durch einen Eingangswiderstand (Ri) verbunden ist, und einen Transistor (T2) umfaßt, der direkt mit der besagten Anschlußklemme (FR) verbunden ist.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterschaltung (I) zwischen den Stromeingangs- und Stromausgangsklemmen des Transistors (T2) eine in Sperrichtung geschaltete Schutzdiode (D3) umfaßt.

5. Schaltkreis nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterschaltung (I) zwischen einer Steuerklemme des Transistors (T2) und einer Stromeingangsklemme des Transistors (T2) wenigstens eine Zener-Schutzdiode (D2) umfaßt.

6. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Halbleiter-Bauelement, das wenigstens vorgesehen ist, einen anderen Transistor (T1) umfaßt.

7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Transistoren (T1, T2) MOS-Transistoren und durch ihre Gates miteinander verbunden sind und daß zwischen den besagten Gates und der Masse eine Zener-Diode (DZ1) vorgesehen ist.

8. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Transistoren (T1, T2) Bipolartransistoren sind und daß zwischen dem Emitter des mit der Anschlußklemme verbundenen Transistors (T2) und der Masse ein Strombegrenzungswiderstand (R3) vorgesehen ist.

9. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte andere Halbleiter-Bauelement, das wenigstens vorgesehen ist, we nigstens eine Diode (D1, D2) umfaßt, die in Durchlaßrichtung zwischen dem Eingangswiderstand (Ri) und der Masse geschaltet ist.

10. Reglerschaltung (CI) für die Ladespannung zum Laden einer Batterie durch einen Wechselstromgenerator, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Erregerschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfaßt.

11. Wechselstromgenerator, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Reglerschaltung (CI) nach Anspruch 10 umfaßt.