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Regeleinrichtung für mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare
Generatoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für mit stark wechselnden
Drehzahlen antreibbare Generatoren, insbesondere für Fahrzeuglichtmaschinen, die
einen mit der Nebenschlußfeldwicklung des Generators in Reihe geschalteten, abwechslungsweise
aus seinem voll stromleitenden in den nichtleitenden Betriebszustand gelangenden
Leistungstransistor und einen mit seiner Emitter-Basis-Strecke an die zu regelnde
Ausgangsspannung des Generators angeschlossenen Steuertransistor und außerdem einen
dritten Transistor enthält, der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke und mit einem
in seiner Emitterzuleitung liegenden Widerstand einen Parallelstromkreis zur Emitter-Kollektor-Strecke
des Leistungstransistors bildet.
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Es sind bereits Regeleinrichtungen dieser Art bekanntgeworden, bei
denen der dritte, zum Leistungstransistor parallel geschaltete Transistor dann stromleitend
gemacht wird, wenn der notwendige Erregerstrom den für den Leistungstransistor allein
zulässigen Höchstwert überschreitet. Der Erregerstrom verzweigt sich dort in zwei
Teilströme, von denen jeder durch den Widerstand der Feldwicklung unter den für
den Leistungstransistor bzw. den dritten Transistor zulässigen Höchstwert begrenzt
wird. Aber auch wenn zum Leistungstransistor ein weiterer Transistor parallel geschaltet
wird, besteht die Gefahr, daß infolge eines Kurzschlusses in der Erregerwicklung
der Leistungstransistor überlastet wird, weil in -diesem Fall an seiner Emitter-Kollektor-Strecke
die volle Ausgangsspannung des Generators wirksam wird. Diese Gefahr ist bei Leistungstransistoren,
die abwechslungsweise aus dem voll stromleitenden in den nichtleitenden Betriebszustand
gesteuert werden, besonders groß, weil man bei dieser Betriebsart Leistungen regeln
kann, die wesentlich größer sind als die zulässige Kollektorverlustleistung des
Transistors. Um den Leistungstransistor in Regeleinrichtungen der eingangs beschriebenen
Art vor Überlastung zu schützen, wenn in .der Erregerwicklung des Generators ein
Kurzschluß in einem den Transistor gefährdenden Umfang auftritt, wird gemäß der
Erfindung vorgeschlagen, den dritten Transistor mit seinem Emitter an die Basis
des Steuertransistors und mit seiner Basis an den Kollektor des Steuertransistors
anzuschließen.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der dritte Transistor mit seinem
Emitter über einen Gleichrichter an die Basis des Steuertransistors angeschlossen
ist. Bei einer bevorzugten, in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsform ist
die Anordnung so getroffen, daß die Basis des Leistungstransistors mit einer Ausgangsleitung
des Generators über zwei in Reihe liegende Widerstände verbunden ist und daß der
Steuertransistor mit seinem Kollektor und außerdem der dritte Transistor mit seiner
Basis über einen Widerstand an den Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände angeschlossen
ist.
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Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben und erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine Fahrzeuglichtmaschine, die auf eine Sammlerbatterie
arbeitet und eine aufgebaute Regeleinrichtung trägt; F i g. 2 zeigt das elektrische'
Schaltbild der Lichtmaschine und der Regeleinrichtung nach F i g. 1. Die Lichtmaschine
nach F i g. 1 enthält in ihrem Gehäuse 10 drei über den Innenumfang des Gehäuses
gleichmäßig verteilte, feststehende Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13 sowie seine
Erregerwicklung 14. Diese sitzt auf einem im Gehäuse 10 drehbaren,
über eine Keilriemenscheibe 15 antreibbaren, nicht dargestellten Anker. Die Wechselstromwicklungen
sind in Sternschaltung miteinander verbunden. Jedes der freien Enden dieser Wicklungen
ist mit dem Verbindungspunkt zweier miteinander in Reihe geschalteter Gleichrichter
16, 17 verbunden. Die Zuleitungselektroden der Gleichrichter 16 sind mit
dem Minuspol einer Sammlerbatterie 18 und mit einem Ende der Erregerwicklung 14
durch eine an Masse angeschlossene Minusleitung 19 verbunden. Die Ableitungselektroden
der Gleichrichter 17 stehen mit dem Pluspol der Batterie 18 über eine Plusleitung
20 in Verbindung.
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In einem auf dem Lichtmaschinengehäuse 10 befestigten Gehäuse 21 ist
eine Regeleinrichtung untergebracht,
die dazu dient, die von der
Lichtmaschine gelieferte, zwischen den Leitungen 19 und 20 auftretende
Ladespannung für die Batterie 18 auf einem gleichbleibenden Wert von etwa 13,5 V
zu halten. Dieser Wert darf auch bei hohen Antriebsdrehzahlen der Lichtmaschine
nicht überschritten werden.
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Die in F i g. 2 mit unterbrochenen Linien umrahmte Regeleinrichtung
22 enthält einen Leistungstransistor 23, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit der
Erregerwicklung 14 der Lichtmaschine in Reihe geschaltet ist. Zur Steuerung des
Leistungstransistors ist ein Steuertransistor 24 vorgesehen, der mit seinem Emitter
ebenso wie der Leistungstransistor an die Plusleitung 20 angeschlossen ist. Seine
Basis ist über eine Zenerdiode 25 mit dem Abgriff 26 eines Spannungsteilers 27 verbunden,
der über der zu regelnden Ausgangsspannung der Lichtmaschine zwischen den Leitungen
19 und 20 liegt. Vom Kollektor des Steuertransistors 24 zur Minusleitung
19 führt ein Widerstand 28 von etwa 20 Ohm. Mit diesem Widerstand ist außerdem
die Basis des Leistungstransistors 23 über einen Gleichrichter 29 und einen Widerstand
30 von etwa 20 Ohm verbunden. Zu der aus dem Gleichrichter 29 und dem Widerstand
30 gebildeten Reihenschaltung liegt ein Kondensator 31 von etwa 1 J parallel.
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Wenn die Lichtmaschine aus dem Stillstand heraus angetrieben wird,
weist die Batterie 18 auch in voll geladenem Zustand eine Spannung von
12,6 bis 12,8 V auf. Bei diesen Werten der zwischen der Minusleitung
19 und der Plusleitung 20 wirksamen Spannung befindet sich die Zenerdiode
25 in ihrem Sperrzustand, und der Steuertransistor 24 kann demzufolge keinen Strom
über den Steuerwiderstand 28 führen. Dann kann über die Emitter-Basis-Strecke des
Leistungstransistors 23, den Gleichrichter 29 und die Widerstände 30 und 28 ein
erheblicher Basisstrom fließen, der die Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors
stromleitend hält, so daß über die Erregerwicklung 14 ein Erregerstrom
Je von etwa , 6 Amp fließen kann. Das von diesem Strom erzeugte Magnetfeld
im umlaufenden Anker der Lichtmaschine induziert in den Wechselstromwicklungen 11,
12 und 13 eine mit der Drehzahl der nicht dargestellten, die Lichtmaschine antreibenden
Brennkraftmaschine steigende Wechselspannung, die in den Gleichrichtern 1.6 und
17 gleichgerichtet wird und zur Ladung der Batterie 18 und zur Versorgung von nicht
dargestellten, an die Batterie anschließbaren Verbrauchern zur Verfügung steht.
; Sobald die Spannung zwischen der Minusleitung 19 und der Plusleitung
20 mit steigender Drehzahl den durch die Einstellung des Abgriffs 26 am Potentiometer
27 festgelegten Sollwert erreicht, wird die Zenerdiode 25 stromleitend und
bringt den Steuertransistor 24 ebenfalls in stromleitenden Zustand, so daß dieser
einen Strom J, über den Steuerwiderstand 28 führen kann. Der durch diesen Strom
zusätzlich entstehende Spannungsabfall am Widerstand 28 bewirkt, daß das Potential
an der Basis des Leistungstransistors 23 über das Potential der Plusleitung
20
hinaus angehoben wird, da sich zu dem Spannungsabfall am Widerstand 28
die Spannung des inzwischen auf etwa 6 V geladenen Kondensators 31 addiert. Durch
den einsetzenden Kollektorstrom J., des Steuertransistors 24 wird daher der Leistungstransistor
sprunghaft aus dem seither stromleitenden Betriebszustand in seinen Sperrzustand
übergeführt. Um diesen Übergang zu beschleunigen, ist in einer Verbindungsleitung
32 zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors 23 und der Basis des Steuertransistors
24 ein Widerstand 33 und ein mit diesem in Reihe geschalteter Kondensator 34 von
etwa 0,1 wF vorgesehen. Dieser Kondensator kann sich über einen von der Basis des
Steuertransistors24 zur Plusleitung 20 führenden Widerstand 35 weitgehend
entladen, solange der Leistungstransistor 23 stromleitend ist und sein Kollektorpotential
daher nahe am Potential der Plusleitung 20 liegt. Sobald der Übergang in
den Sperrzustand des Leistungstransistors erfolgt, sinkt das Potential am Kollektor
des Leistungstransistors gegen das Potential der Minusleitung 19 hin stark ab, so
daß sich der Kondensator 34 aufladen kann. Der dem Kondensator 34 über den Widerstand
33 zufließende Ladestrom macht die Basis des Steuertransistors noch stärker negativ
und vergrößert daher den Kollektorstrom J., des Steuertransistors und verstärkt
daher die vom Steuertransistor auf den Leistungstransistor ausgeübte Sperrwirkung.
Infolge des jetzt fehlenden Erregerstromes JE, sinkt die in den Wechselstromwicklungen
11 bis 13 induzierte Wechselspannung und demzufolge die Ausgangsspannung
der Lichtmaschine rasch ab. Dies hat zur Folge, daß die seither stromleitende Zenerdiode
25 in ihr Sperrgebiet gelangt und keinen über die Emitter-Basis-Strecke des Steuertransistors
24 gehenden Strom mehr aufrechterhalten werden kann. Dann wird der Steuertransistor
24 gesperrt, und der Leistungstransistor 23 kehrt sprunghaft in einen ursprünglichen
stromleitenden Zustand zurück. Der über die Erregerwicklung 14 einsetzende
Kollektorstrom des Leistungstransistors erhöht die magnetische Erregung der Lichtmaschine
und das beschriebene Spiel kann von neuem beginnen.
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Bei der beschriebenen Wirkungsweise ist der Leistungstransistor
23 dann stark gefährdet, wenn in der Erregerwicklung 14 ein Kurzschluß auftritt,
der einen Teil der Erregerwicklung oder die ganze Erregerwicklung erfaßt. Infolge
der dann auch bei voll stromleitendem Leistungstransistor 23 ungenügend hohen Erregung
vermag die Lichtmaschine ihren Sollwert nicht zu erreichen, so daß der Steuertransistor
dauernd gesperrt bleibt. Andererseits muß die Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors
23 einen um so größeren Teil der Batteriespannung aufnehmen, je mehr Windungen von
dem Kurzschluß in der Feldwicklung erfaßt werden. Um eine solche Gefährdung des
Leistungstransistors zu vermeiden, ist eine Schutzschaltung vorgesehen, die jedoch
nur dann zur Wirkung kommt, wenn gleichzeitig - trotz des stromleitenden Zustandes
des Leistungstransistors - an dessen Kollektorelektrode ein zu starkes negatives
Potential und außerdem auch am Kollektor des Steuertransistors ein stark negatives
Potential auftritt.
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Im einzelnen enthält die Schutzschaltung einen dritten Transistor
40, der mit seinem Kollektor an den Kollektor des Leistungstransistors 23 angeschlossen
ist und mit seiner Basis über einen Widerstand41 von 150 Ohm an den Kollektor des
Steuertransistors 24 angeschlossen ist. Von der Basis des Steuertransistors
24 führt ein Gleichrichter 42 zum Emitter des Transistors
40, der mit der Plusleitung 20 über einen Widerstand 43 von
50 Ohm verbunden ist. Die Wirkungsweise der Schutzschaltung beruht auf folgendem:
Der
Transistor 40 kann nur dann stromleitend werden, wenn sowohl am Kollektor des Leistungstransistors
23 als auch am Kollektor des Steuertransistors 24 ein stark negatives Potential
entsteht. Diese Bedingung ist nur dann erfüllt, wenn die Ausgangsspannung der Lichtmaschine
sich unterhalb ihres Sollwertes befindet und der Steuertransistor 24 daher gesperrt
ist. Dann muß sich der Leistungstransistor 23 in stromleitendem Zustand befinden.
In diesem Betriebszustand kann jedoch nur dann am Kollektor des Leistungstransistors
ein stark negatives Potential entstehen, wenn der Gleichstromwiderstand der Erregerwicklung
14 durch einen Kurzschluß weitgehend überbrückt ist. Der dann stromleitend werdende
Schutztransistor 40 erzeugt an seinem Emitterwiderstand 43 einen solch
starken Spannungsabfall, daß der Steuertransistor 24 ebenfalls stromleitend wird,
obwohl die Sollspannung nicht erreicht ist. Es entsteht in diesem Fall jedoch ein
wesentlich kleinerer Kollektorstrom J, des Steuertransistors. Durch die angegebene
Bemessung der Widerstände 28 und 30 und der Widerstände 41 und 43 wird jedoch erreicht,
daß der Basisstrom des Leistungstransistors 23 stark verringert wird und der Leistungstransistor
23 daher trotz großer Emitter-Kollektor-Spannung nur einen kleinen Kollektorstrom
führt und demzufolge nureine kleine Kollektorverlustleistung aufzunehmen hat.
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Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das abwechslungsweise
zwischen voll stromleitendem und gesperrtem Zustand stattfindende Reglerspiel nicht
gestört wird, solange die Feldwicklung ihren ursprünglichen Widerstand beibehält,
und daß die Anordnung auch auf sehr kurzdauernde, beispielsweise nur Bruchteile
einer Millisekunde andauernde Kurzschlüsse anspricht; derartige kurzzeitige Überlastungen
sind deswegen sehr gefährlich, weil sie einen sofortigen Durchschlag zwischen der
Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors zur Folge haben können.