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Volltransistorisierter Spannungsregler für Generatoren niedriger Spannung
Die Erfindung bezieht sich auf einen volltransistorisierten Spannungsregler für
mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare, im Nebenschluß erregte Generatoren
niederer Spannung, insbesondere für Fahrzeuglichtmaschinen, mit einem abwechselnd
voll stromleitenden und gesperrten Leistungstransistor, der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke
in Reihe mit der Erregerwicklung des Generators liegt und von einem Steuertransistor
gesteuert wird, dessen Basis über eine Zenerdiode an einen über der zu regelnden
Spannung liegenden Spannungsteiler angeschlossen ist und außerdem mit dem Kollektor
des Leistungstransistors über eine Reaktanz in Verbindung steht.
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Bei bekannten Reglern dieser Art ist es erforderlich, den Leistungstrasistor
mit Hilfe des Steuertransistors so zu beeinflussen, daß er abwechslungsweise periodisch
aus seinem voll stromleitenden Betriebszustand :in den Sperrzustand gelangt, wenn
man mit kleinen Leistungstransistoren große Erregerleistungen beherrschen will.
Um eine solche Arbeitsweise des Leistungstransistors sicherzustellen, sind bereits
Anordnungen bekanntgeworden, bei denen vom Kollektor des an die Erregerwicklung
angeschlossenen Leistungstransistors zur Basis des Steuertransistors ein Widerstand
geführt ist, der den bei ansteigender Lichtmaschinenspannung stromleitend werdenden
und den Leistungstransistor zunehmend sperrenden Steuertransistor noch stärker stromleitend
macht, als dies der jeweils vorherrschenden Sollwertüberschreitung entsprechen würde.
Außerdem sind Regler der eingangs beschriebenen Art bekanntgeworden, bei denen eine
kapazitive Rückführung in der Weise vorgenommen ist, daß zwischen dem Anschlußpunkt
der Zenerdiode am Spannungsteiler und dem Kollektor des Leistungstransistors ein
Kondensator liegt, der zusammen mit einem zweiten Kondensator, der zwischen dem
Anschlußpunkt der Zenerdiode und dem Spannungsteiler und der Emitterelektrode des
Steuertransistors lieb , einen kapazitiven Spannungsteiler bildet. Dieser zweite
Kondensator muß jedoch im Hinblick auf den niederohmigen, über der zu regelnden
Spannung liegenden Spannungsteiler etwa 100 uF groß gewählt werden. Er bringt eine
erhebliche Verteuerung deswegen mit sich, weil er mit Rücksicht auf die beim Fahrzeugbetrieb
auftretenden niedrigen Temperaturen kältefest sein muß.
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Eine wesentliche Verbilligung und erhöhte Stabilisierung des Regelvorganges
ergibt sich bei einem Regler der eingangs, beschriebenen Art, wenn die zwischen
dem Leistungstransistor und dem Steuertransistor notwendige Reaktanz erfindungsgemäß
unmittelbar zwischen Zenerdiode und Basis des Steuertransistors angeschlossen ist
und aus einem Kondensator und einem mit diesem in Reihe geschalteten Widerstand
besteht.
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Dadurch ergibt sich vor allem eine wesentlich niedrigere Strombelastung
der Zenerdiode, da sie nur in der kurzen Verzögerungszeit zwischen einer Sollwertüberschreitung
und der dadurch veranlaßten Sperrung des Leistungstransistors einen nennenswerten
Strom zu führen braucht. Es zeigt Fig. 1 eine Fahrzeuglichtmaschine mit einer Pufferbatterie
und einem zur Regelung der Lichtmaschine dienenden Spannungsregler in schematischer
Darstellung, Fig. 2 das elektrische Schaltbild der Lichtmaschine und des Spannungsreglers;
in Fig. 3 ist das Schaltbild eines anderen Reglers dargestellt.
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Die Lichtmaschine nach Fig. 1 und 2 enthält in ihrem Gehäuse 10 drei
feststehende Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13 sowie eine Feldwicklung
15, die auf der Ankerwelle 16 sitzt und über eine Riemenscheibe 17 von einem nicht
dargestellten Kraftfahrzeugmotor gegenüber den Wechselstromwicklungen 11 bis 13
in umlaufende Bewegung versetzt wer-; den kann. Jede der Wechselstromwicklungen
ist über einen von drei Gleichrichtern 18 mit der gemeinsamen Plusleitung 19 und
über einen von drei weiteren Gleichrichtern 20 mit der gemeinsamen, an Masse angeschlossenen
Minusleitung 21 verbunden. Ein ebenfalls im Lichtmaschinengehäuse 10 untergebrachter,
für den Laststrom der Lichtmaschine bemessener Gleichrichter 25 sorgt dafür, daß
der bei 26 angedeuteten
Batterie und den an diese anschließbaren,
in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrauchern Strom zufließen kann, wenn die
Lichtmaschine mit genügend hohen Drehzahlen und bei ausreichender Erregung angetrieben
wird. Er verhindert jedoch, daß bei Stillstand der Lichtmaschine Strom aus der Batterie
in die Lichtmaschine zurückfließen kann und von dort zu dem auf dem Lichtmaschinengehäuse
sitzenden, im folgenden näher beschriebenen Spannungsregler 27 gelangt.
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Der Regler enthält einen Leistungstransistor 30, der mit seinem Kollektor
an ein Wicklungsende der andererseits an Masse angeschlossenen Feldwicklung 15 angeschlossen
ist. Von der Plusleitung 19 zum Emitter des Leistungstransistors führt ein Gleichrichter
31, während die Basis des Leistungstransistors unmittelbar mit dem Kollektor des
Steuertransistors 32 verbunden ist und außerdem über einen Widerstand 33 von etwa
20 Ohm an die Minusleitung 21 angeschlossen ist. über der zu regelnden Spannung
zwischen der Plusleitung 19 und der Minusleitung 21 liegt ein einstellbares Potentiometer
34. Zwischen dem Abgriff 35 des Potentiometers und der Basis des Steuertransistors
32 ist eine als Sollwertgeber dienende Zenerdiode 36 vorgesehen, die in Sperrichtung
beansprucht ist und erst dann stromleitend wird, wenn die zwischen dem Abgriff 35
und der Plusleitung 19 wirksame Spannung den Durchbruchswert der Zenerdiode von
etwa 8 V überschreitet. Dieser Fall tritt dann ein, wenn die Ausgangsspannung der
Lichtmaschine über ihren Sollwert von 14 V hinaus anzusteigen droht. Dann macht
der über die Emitter-Basis-Strecke des Steuertransistors 32 fließende Strom der
Zenerdiode 36 den Steuertransistor 32 stromleitend. Dessen Kollektorstrom erzeugt
am Widerstand 33 einen solchen starken Spannungsabfall, daß der seither voll stromleitende
Leistungstransistor 30 seinen über die Feldwicklung 15 gehenden Kollektorstrom nicht
mehr in der seitherigen Höhe aufrechterhalten kann. Infolge der Induktivität der
Feldwicklung 15 entsteht an dieser eine Gegenspannung, die über den mit seiner Zuleitungselektrode
an die Minusleitung 21 angeschlossenen, vorzugsweise aus Germanium oder Silizium
bestehenden Gleichrichter 37 einen Ausgleichsstrom J, hervorruft und dann das Potential
am Kollektor des Leistungstransistors um etwa 0,5 V unter das Potential der Minusleitung
21 erniedrigt. Diese Erniedrigung wird dazu ausgenutzt, den Steuertransistor weit
über das Maß hinaus stromleitend zu machen, das der am Abgriff 35 des Potentiometers
34 herrschenden Spannung und dem demzufolge über die Zenerdiode 36 fließenden Strom
entspricht. Hierzu ist erfindungsgemäß zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors
30 und dem Verbindungspunkt von Zenerdiode und Basis des Steuertransistors eine
Reaktanz vorgesehen, die aus einem Widerstand 40 von etwa 5000 Ohm und einem mit
diesem in Reihe geschalteten Kondensator von etwa 0,1 [,F besteht. Diese Reaktanz
bildet zusammen mit einem von der Plusleitung 19 zur Basis des Steuertransistors
32 führenden Widerstand 42 einen Spannungsteiler, dessen Wirkung auf den Steuertransistor
durch Einstellung der Größe des Widerstandes 42 leicht beeinflußt werden kann. Über
die Reaktanz erhält der Steuertransistor einen durch das Auftreten des Ausgleichsstromes
J" ausgelösten kapazitiven Ladestromstoß JL, der über die Emitter-Basis-Strecke
des Steuertransistors 32 dem Kondensator 41 zufließt und den Steuertransistor noch
stärker stromleitend macht. Dieser bringt den Leistungstransistor noch weiter in
sein Sperrgebiet, wobei das eine erhebliche Verlustleistung ergebende Gebiet zwischen
voller Stromleitung und Sperrung des Transistors 30 rasch durchlaufen wird. Infolge
des fehlenden Kollektorstromes JL, klingt die Erregung in der Feldwicklung 15 der
Lichtmaschine ab und bewirkt, daß ihre Ausgangsspannung zwischen den Leitungen 19
und 21 ebenfalls absinkt und dabei denjenigen Wert unterschreitet, bei dem die Zeigerdiode
noch stromleitend gehalten werden kann. Die Größe der Widerstände 40 und 42 und
die Kapazität des Kondensators 41 sind dabei so gewählt, daß zu diesem Zeitpunkt
der Ladestrom zum Kondensator 41 bereits abgeklungen ist und die Zenerdiode 36 allein
den Steuerstrom des Steuertransistors bestimmt. Sobald dieser infolge des Absinkens
der Lichtmaschinenausgangsspannung kleiner wird, beginnt der Leistungstransistor
wieder stromleitend zu werden, wobei sein Kollektorpotential nahe an das Potential
der Plusleitung 19 heranrückt und bewirkt, daß der jetzt geladene Kondensator 41
die Basis des Steuertransistors gegen positive Potentialwerte hin verschiebt. Dadurch
wird die eine zunehmende Sperrung des Steuertransistors 32 hervorrufende Wirkung
des nachlassenden Steuerstromes in der Zenerdiode 36 unterstützt, und der Steuertransistors
32 wird stark gesperrt. Gleichzeitig geht der Leistungstransistor in seinen voll
stromleitenden Betriebszustand über, der so lange anhält, bis die Lichtmaschinenausgangsspannung
den vorgeschriebenen Sollwert wieder zu überschreiten beginnt und das eingangs beschriebene
Spiel erneut einsetzt.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind diejenigen Schaltelemente,
die gleich wirken wie diejenigen in der Regeleinrichtung nach Fig. 2, mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Über die dort verwendeten Schaltelemente hinaus enthält
die Regeleinrichtung nach Fig.3 einen über der Basis-Kollektor-Strecke des Steuertransistors
32 liegenden Kondensator 45 von etwa 0,1 @J. Dieser bewirkt, daß die Spannung an
der Basis des Steuertransistors zusätzlich geglättet und die Ansprechgenauigkeit
des Steuertransistors beim Erreichen des Sollwertes der Ausgangsspannung erhöht
wird.
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Außerdem ist beim Regler nach Fig. 3 in die Verbindungsleitung vom
Potentiometer 34 zur Plusleitung 19 ein Widerstand 46 eingeschaltet, der aus wenigen
Windungen eines dünnen Kupferdrahtes besteht und die Aufgabe hat, den Temperaturgang
der Zenerdiode 36 zu kompensieren. Hierdurch wird die Regelgenauigkeit weiterhin
verbessert und gewährleistet, daß der Regler die Ausgangsspannung der Lichtmaschine
in einem weiten Temperaturbereich konstant hält.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen ist außerdem eine Strombegrenzungseinrichtung
vorgesehen, die dazu bestimmt ist, die Ausgangsspannung des Generators dann stark
herabzusetzen, wenn, z. B. infolge eines Kurzschlusses in einem angeschlossenen
Verbraucher, der Laststrom der Lichtmaschine einen vorgeschriebenen Höchstwert zu
überschreiten droht. Hierzu ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in der Verbindungsleitung
von der Wechselstromwicklung 11 zu den Gleichrichtern 18 und 20 die Primärwicklung
50 eines Stromwandlers eingeschaltet, der zwei miteinander verbundene, an die Plusleitung
19 angeschlossene Sekundärwicklungen 51 und 52 hat. Die Sekundärwicklungen sind
hintereinandergeschaltet und durch einen einstellbaren Widerstand 53 überbrückt.
Die
in den Wicklungen 51, 52 induzierten Spannungen sind dem über die Primärwicklung
50 fließenden Teil des Laststromes proportional und werden durch zwei Gleichrichter
54 und 55 gleichgerichtet und dem Abgriff des Potentiometers 34 über eine Leitung
56 zugeführt. Sobald die zwischen der Plusleitung 19 und der Steuerleitung 56 wirksame
Spannung den Wert der Durchbruchsspannung der Zenerdiode 36 überschreitet, wird
diese unabhängig von der Größe der Ausgangsspannung des Generators stromleitend
und bringt über den Steuertransistor 32 den Leistungstransistor 30 in seinen Sperrzustand.
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Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Gleichrichter 54
und 55 über die Leitung 56 mit dem Abgriff 35 des Potentiometers 34 unmittelbar
verbunden sind und die gleichgerichtete Spannung daher durch das Potentiometer 34
belastet wird, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zwischen der mit der Zenerdiode
36 verbundenen Leitung 56 und dem Abgriff 35 des Potentiometers eine für den Basistrom
des Transistors 32 durchlässige Germaniumdiode 58
vorgesehen. Durch diese
Diode wird erreicht, daß die gleichgerichtete, dem Laststrom proportionale Spannung
durch das Potentiometer nicht belastet wird und daher eine mit einem scharfen Knick
einsetzende Herabsetzung der Generatorausgangsspannung ergibt, wenn der zulässige
Höchstwert des Laststromes erreicht wird.