DE1438972C - Spannungsregler fur einen Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler für einen Generator, insbesondere für eine Fahrzeuglichtmaschine, der eine Erregerwicklung aufweist, welche in Reihe mit einem aus- und einschaltbaren Halbleiter-Gleichrichter an einer der Generatorspannung proportionalen Gleichspannung liegt, dessen Steuerelektrode über einen Widerstand an einen Punkt mit im Verhältnis zur Kathode dieses Gleichrichters positivem Potential angeschlossen ist und mit einem Halbleiterschalter, der in leitendem Zustand eine Verbindung von diesem Widerstand zur Kathode des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters herstellt und seinerseits über eine Zenerdiode in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Generators steuerbar ist.

Aus der japanischen Patentschrift 9170/1965 (40-9170) ist es bekannt, die Erregerwicklung eines nebenschlußerregten Generators in Reihe mit einem ein- und ausschaltbaren Halbleiter-Gleichrichter an die vom Generator gelieferte Gleichspannung anzuschließen. Als Generator ist in diesem Fall ein Gleichstromgenerator verwendet. Die Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters ist bei der durch die zuvor genannte japanische Patentschrift bekanntgewordene Anordnung einerseits über einen Widerstand an einen Punkt mit im Verhältnis zur Kathode des steuerbaren Gleichrichters positivem Potential angeschlossen und sie liegt andererseits am Ausgang eines nicht näher erläuterten oder dargestellten Impulsgenerators, welcher die zum Ausschalten des steuerbaren Gleichrichters notwendigen Impulse liefert. Mit diesen Ausschaltimpulsen wird die Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters dauernd beaufschlagt, eine vollständige Ausschaltung findet jedoch nur dann statt, wenn die positive Steuer-Spannung über einen zur Steuerstrecke des steuerbaren Gleichrichters parallel geschalteten Transistor kurzgeschlossen ist.

Weiterhin ist es aus der britischen Patentschrift 967 539 bekannt, an Stelle eines Impulsgenerators, wie er in der zuvor genannten japanischen Patentschrift 9170/1965 verwendet ist, einen Kommutierungskondensator zu benutzen. Das Aufladen des Kommutierungskondensators erfolgt bei dieser bekannten Anordnung jedoch über einen vom Steuer-Stromkreis des steuerbaren Gleichrichters getrennten Stromkreis, der noch einen zusätzlichen steuerbaren Halbleiter-Gleichrichter enthält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Verwendung bei einem Generator-Spannungsregler eine Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Anwendungsmöglichkeiten eines steuerbaren Silizium-Gleichrichters zu schaffen, der durch elektrische Beeinflussung der Steuerelektrode in den Sperrzustand umschaltbar ist. Dabei gilt es insbesondere, eine gegenüber den bekannten Anordnungen im Aufbau wesentlich vereinfachte und hinsichtlich der Betriebssicherheit, für den rauhen Betrieb bei Fahrzeuglichtmaschinen geeignete Anordnung zu schaffen. Steuerbare Silizium-Gleichrichter, die sich bezüglich der Schaltfunktion zu diesem Zweck eignen, sind unter der Bezeichnung »gate controlled switch« oder schaltbarer Halbleiter-Gleichrichter bekannt.' Im Zusammenhang mit der zuvor geschilderten übergeordneten Aufgabe liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugründe, die Verlustleistung und damit die Erwärmung eines solchen Gleichrichters während des Betriebes auf ein befriedigendes Maß zu reduzieren.

Dies ist wesentlich, da die Wärmeabfuhr bei der meist sehr kompakten und gedrängten Anordnung der Stromversorgungsanlage von Fahrzeugen häufig Schwierigkeiten bereitet. Besonders schwierige Verhältnisse treten dann auf, wenn die Stromversorgungsanlage in den Motorraum eines Kraftfahrzeuges eingebaut ist, wo als »Kühlluft« nur eine in vielen Betriebszuständen bereits stark vorerwärmte Luft zur Verfügung steht.

Die Lösung der zuvor gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß parallel zu mindestens einem Teil des an die Steuerelektrode des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters angeschlossenen Widerstandes ein Kommutierungskondensator angeordnet ist und daß der Halbleiterschalter zwischen der von der Steuerelektrode des schaltbaren Gleichrichters abgewandten Elektrode des Kommutierungskondensators und der Kathode des schaltbaren Gleichrichters angeordnet ist, so daß der Kommutierungskondensator während der Einschaltzeit des schaltbaren Gleichrichters aufgeladen wird und sich beim Einschalten des Halbleiterschalters über diesen und die Steuerelektroden-Kathoden-Strecke des schaltbaren Gleichrichters entlädt und diesen dadurch sperrt.

Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn in Serie mit dem Kommutierungskondensator zur Strombegrenzung ein Widerstand geschaltet ist und wenn weiterhin zwischen die Kathode und die Steuerelektrode des schaltbaren Gleichrichters ein weiterer Widerstand eingeschaltet ist, der zusammen mit dem von der Steuerelektrode zum Punkt positiven Potentials führenden Widerstand einen Spannungsteiler bildet.

Eine besonders zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur Steuerung des schaltbaren Gleichrichters ein auf den Sollwert der Generatorausgangsspannung abgestimmter Multivibrator vorgesehen ist, der in seinem instabilen Zustand den Halbleiterschalter leitend steuert. Ein rasches Umschalten und somit eine geringe Verlustleistung erhält man dann, wenn der Multivibrator mit einer ÄC-Rückführung versehen ist. Diese wird zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß bei allen Betriebszuständen der an den instabilen Zustand anschließende stabile Zustand des Multivibrators jeweils eine Zeitdauer hat, die mindestens gleich der zur Aufladung des Kommütierungskondensators erforderlichen Mindestzeit ist, um bei allen Betriebsbedingungen die für den Abschaltvorgang des schaltbaren Gleichrichters erforderliche Aufladung des Kommutierungskondensators zu gewährleisten. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Zeitkonstante des ÄC-Rückführungsgliedes des Multivibrators die Zeitkonstante des ÄC-Gliedes im Steuerkreis des schaltbaren Gleichrichters etwa um eine Zehner-Potenz übersteigt.

Einzelheiten der Erfindung sind an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel findet als Generator eine Drehstrom-Lichtmaschine 1 Verwendung, die eine selbsterregte, im Betrieb rotierende Nebenschlußwicklung 2 sowie drei fest angeordnete, in Sternschaltung verbundene Erzeugerwicklungen 3 aufweist. Die Erzeugerwicklungen 3 sind über eine aus den sechs Gleichrichtern 4 bestehende Drehstrom-Brückenschaltung mit den Ausgangsklemmen 5, 6 verbunden, an denen die während

des Betriebes gelieferte Gleichspannung für eine daran angeschlossene Pufferbatterie 7 und für mehrere ebenfalls daran angeschlossene Verbraucher 8 zur Verfügung steht. Außerdem liegt die selbsterregte, durch eine parallelgeschaltete Diode 9 gegen Über-Spannungen geschützte Nebenschlußwicklung 2 über die Anoden-Kathoden-Strecke eines steuerbaren pnpn-Siliziumgleichrichters 10 an der gelieferten Gleichspannung, wobei dieser Gleichrichter 10 zur selbsttätigen Regelung der gelieferten Gleichspannung to Verwendung findet und zu diesem Zweck an seiner mittleren p-Zone eine Steuerelektrode 11 besitzt. Allgemein wird der hier verwendete Gleichrichter als »gate controlled switch« oder schaltbarer Halbleiter-Gleichrichter bezeichnet. Seine Steuerelektrode 11 ist über einen Widerstand 12 mit der Minus-Ausgangsklemme 6 und über ein RC-Glied, bestehend aus einem Kondensator 13 und einem vorgeschalteten Widerstand 14, sowie über einen parallel zu dem RC-Glied liegenden Widerstand 15 mit dem Kollektor 16 eines npn-Schalttransistors 17 verbunden. Außerdem ist der Schalttransistor 17 mit einem Kollektor 16 über einen Widerstand 18 an die Plus-Ausgangsklemme 5, mit seinem Emitter 19 direkt an die Minus-Ausgangsklemme 6 und mit seiner Basis 20 an die Verbindung zweier hintereinander geschalteter Widerstände 21, 22 angeschlossen, von denen der eine an der Minus-Ausgangsklemme 6 und der andere an dem Kollektor eines npn-Transistors 24 liegt. Der Transistor 24 ist der Ausgangstransistor eines astabilen Multivibrators, zu dem noch ein npn-Eingangstransistor25 gehört. Der Eingangstransistor 25 und der Ausgangstransistor 24 sind je mit ihrem Emitter 26 bzw. 27 direkt an die Minus-Ausgangsklemme 6 und mit ihrem Kollektor 23 bzw. 28 über einen Widerstand 29 bzw. 30 an die Plus-Ausgangsklemme 5 angeschlossen. Die Basis 31 des Ausgangstransistors 24 liegt unmittelbar an dem Kollektor 28 des Eingangstransistors 25, dessen Basis 32, die den Eingang des astabilen Multivibrators darstellt, über einen Widerstand 33 mit der Minus-Ausgangsklemme 6, ferner über ein aus einem Kondensator 34 und einem vorgeschalteten Widerstand 35 bestehendes i?C-Glied mit dem Kollektor 23 des Ausgangstransistors 24 und schließlich unmittelbar mit der Kathode einer als Spannungsüberwachungsglied wirkenden Zenerdiode 36 verbunden ist. Die Zenerdiode 36 liegt anodenseitig an dem beweglichen Abgriff eines Potentiometers 37, dessen einer fester Anschluß über einen Widerstand 38 mit der Minus-Ausgangsklemme 6 und dessen anderer fester Anschluß über einen Widerstand 39 mit der Plus-Ausgangsklemme 5 verbunden ist.

Die selbsttätige Regelung der von der Lichtmaschine 1 über die Gleichrichter 4 an den Ausgangsklemmen 5, 6 zur Verfügung gestellten Gleichspannung geschieht in folgender Weise:

Die gelieferte Gleichspannung wird hinsichtlich eines festgelegten Sollwertes durch die Zenerdiode 36 überwacht. Dies erfolgt in Verbindung mit dem zur Abstimmung auf den Sollwert dienenden Potentiometer 37 und den in Reihe dazu liegenden Widerständen 38,39. Solange die gelieferte Gleichspannung den Sollwert nicht erreicht, bleibt die Zenerdiode 36 gesperrt. Demzufolge steht dem Eingangstransistor 25 des astabilen Multivibrators an der über den Wider- 65' stand 33 an der Minus-Ausgangsklemme 6 liegenden Basis 32 kein Potential für einen Steuerstrom zur Verfügung und seine Emitter-Kollektor-Strecke bleibt ebenfalls gesperrt. Der Ausgangstransistor 24 des astabilen Multivibrators hat dadurch an seiner Basis 31 über den Widerstand 30 Verbindung mit der Plus-Ausgangsklemme 5 und somit eine auf Stromdurchlaß geschaltete Emitter-Kollektor-Strecke, so daß der zugehörige Kollektorwiderstand 29 direkt mit den Ausgangsklemmen 5, 6 verbunden und die im Nebenschluß zur Emitter-Kollektor-Strecke liegende Reihenschaltung der Widerstände 21, 22 kurzgeschlossen ist. An der Basis 20 des Schalttransistors 17 steht durch die kurzgeschlossenen Widerstände 21, 22 ebenfalls kein Potential für einen Steuerstrom zur Verfügung, so daß auch seine Emitter-Kollektor-Strecke gesperrt ist. Hierdurch erhält die Steuerelektrode 11 des schaltbaren Gleichrichters 10 über den zum Schalttransistor 17 gehörenden Kollektorwiderstand 18 sowie den zwischen dem Kollektor 16 des Schalttransistors 17 und der Steuerelektrode 11 liegenden Widerstand 15 positives Potential, dessen Maß durch den zwischen der Steuerelektrode 11 und der Minus-Ausgangsklemme 6 vorgesehener Widerstand 12 bestimmt und so gewählt ist, daß ein Strom von der Steuerelektrode 11 zu der an Minus liegenden Kathode fließt, durch den die Anoden-Kathoden-Strecke auf Stromdurchlaß und mit ihr die Nebenschlußwicklung 2 der Lichtmaschine 1 zwecks Erregung an die gelieferte Gleichspannung geschaltet wird. Obwohl ein kurzer, gegenüber der Kathode positiver Impuls an der Steuerelektrode 11 genügen würde, um die Anoden-Kathoden-Strecke des schaltbaren Gleichrichters 10 auf Stromdurchlaß zu schalten, wird gemäß der Erfindung das den Stromdurchlaß auslösende Potential an der Steuerelektrode 11 so lange aufrecht erhalten, bis die durch das erregte Nebenschlußfeld 2 ansteigende Gleichspannung den Sollwert überschreitet. Es zeigt sich, daß dadurch eine geringere Verlustleistung an dem Gleichrichter 10 entsteht. Überschreitet nun die gelieferte Gleichspannung den Sollwert, so stellt sich an dem beweglichen Abgriff des über die Widerstände 38, 39 an der Gleichspannung liegenden Potentiometers 37 eine so hohe Spannung ein, daß die Zenerdiode 36 leitend und damit die Basis 32 des Multivibrator-Eingangstransistors 25 gegenüber dem Emitter 27 positiv wird. Der dadurch einsetzende Steuerstrom schaltet die Emitter-Kollektor-Strecke des Eingangstransistors 25 auf Stromdurchlaß, so daß darüber die Basis 31 des Multivibrator-Ausgangstransistors 24 unmittelbar Minuspotential erhält und dessen Emitter-Kollektor-Strecke gesperrt wird. Das zwischen der Basis 32 des Eingangstransistors 25 und dem Kollektor 23 des Ausgangstransistors 24 liegende üC-Glied 34, 35 wirkt dabei als Rückkopplung, wodurch bei der Sperrung des Ausgangstransistors 24 an der Basis 20 des Schalttransistors 17 ein gegenüber dem Emitter 19 positiver Potentialsprung mit steiler Anstiegsflanke auftritt, der an der Verbindung der zwei hintereinander geschalteten, im Nebenschluß zur Emitter-Kollektor-Strecke des Multivibrator-Ausgangstransistors 24 liegenden Widerstände 21, 22 abgegriffen ist. Diese Widerstände 21, 22 bilden im gesperrten Zustand des Ausgangstransistors 24 mit seinem Kollektorwiderstand 29 einen an der gelieferten Gleichspannung liegenden Spannungsteiler. Der positive Potentialsprung an der Basis 20 des Schalttransistors 17 hat einen Steuerstrom zur Folge, so daß dessen Emitter^Kollektor-Strecke leitend wird. Durch die steUe Anstiegsflanke des Potentialsprungs wird eine^: irhpulsartige

Entladung des mit dem Widerstand 14 zwischen dem Kollektor 16 des Schalttransistors 17 und der Steuerelektrode 11 des schaltbaren Gleichrichters 10 liegenden Kondensators 13 herbeigeführt. Dieser Kondensator 13 wurde mit derjenigen Spannung aufgeladen, die an dem parallel zu dem i?C-Glied 13, 14 liegenden Widerstand 15 abfällt, wenn er samt dem zum Schalttransistor 17 gehörenden Kollektorwiderstand 18 während der leitenden Phase des schaltbaren Gleichrichters 10 von dessen Steuerstrom durchflossen wird. Die Entladung des Kondensators 13 bewirkt einen gegenüber der Kathode negativen Potentialsprung mit steiler Anstiegsflanke an der Steuerelektrode 11 des schaltbaren Gleichrichters 10 und damit einen Steuerstrom, der über die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors 17 sowie über die Kathode des schaltbaren Gleichrichters 10 zur Steuerelektrode 11 fließt. Dies hat zur Folge, daß die Anoden-Kathoden-Strecke des schaltbaren Gleichrichters 10 gesperrt wird. Da die Umsteuerung des schaltbaren Gleichrichters 10 in den Sperrzustand erfindungsgemäß durch die Anwendung eines Impulses mit steiler Anstiegsflanke sprungartig erfolgt, wird der nachteilige Einfluß des im Nullbereich liegenden, die höhere Verlustleistung verursachenden Steuerpotentials weitgehend unterdrückt. Nach der Sperrung der Anoden-Kathoden-Strecke des schaltbaren Gleichrichters 10 erhält die Nebenschlußwicklung 2 der Lichtmaschine 1 keine Erregerspannung mehr, wodurch die gelieferte Gleichspannung an den Ausgangsklemmen 5, 6 wieder abfällt. Unterschreitet die Gleichspannung den Sollwert, so wird wieder die Zenerdiode nichtleitend, der Eingangstransistor 25 des Multivibrators gesperrt, der Ausgangstransistor 24 des Multivibrators auf Stromdurchlaß geschaltet und der Schalttransistor 17 ebenfalls gesperrt, was, wie bereits beschrieben, die Umsteuerung des schaltbaren Gleichrichters 10 in den leitenden Zustand und damit die Zuschaltung der Nebenschlußwicklung 2 an die gelieferte Gleichspannung zur Folge hat.

Bei der vorliegenden Schaltungsanordnung muß die Zeitkonstante für die Aufladung des den negativen Steuerimpuls an den schaltbaren Gleichrichter 10 abgebenden Kondensator 13 auf die zur Auslösung der Sperrung notwendige Spannung in Bezug auf das i?C-Glied 34, 35 des Multivibrators so klein gewählt sein, daß der Kondensator 34 des ÄC-Gliedes durch eventuell einwirkende Überspannungsstöße erst dann die für die Ansteuerung des Multivibrators notwendige Spannung erreicht, wenn an den zur Steuerung des schaltbaren Gleichrichters 10 dienenden Kondensator 13 bereits die für Sperrung notwendige Steuerspannung vorhanden ist. Ist beispielsweise für die gelieferte Gleichspannung ein Sollwert von 28VoIt festgelegt und erwartet man Uberspannungsstöße bis zu etwa 100 Volt, so erhält man ein befriedigendes Ergebnis, wenn man für den dem schaltbaren Gleichrichter 10 zugeordneten Kondensator 13 eine Kapazität von 2μΡ und für den vorgeschalteten Widerstand 14 einen Wert von 10 Ω wählt, so daß für dieses RC-Glied die Zeitkonstante 2 μΡ · 10 Ω = 20 μ8 beträgt. Der dem Multivibrator zugeordnete Kondensator 34 sollte dann eine Kapazität von 0,4 μΡ und der vorgeschaltete Widerstand 35 einen Wert von 1000 Ω haben, wodurch sich für dieses i?C-Glied eine wesentlich höhere, der oben angeführten Forderung entsprechende Zeitkonstante ergibt, nämlich 04Ρ1000 400

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Spannungsregler für einen Generator, insbesondere für eine Fahrzeuglichtmaschine, der eine Erregerwicklung aufweist, welche in Reihe mit einem aus- und einschaltbaren Halbleiter-Gleichrichter an einer der Generatorspannung proportionalen Gleichspannung liegt, dessen Steuerelektrode über einen Widerstand an einen Punkt mit im Verhältnis zur Kathode dieses Gleichrichters positivem Potential angeschlossen ist, und mit einem Halbleiterschalter, der in leitendem Zustand eine Verbindung von diesem Widerstand zur Kathode des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters herstellt und seinerseits über eine Zenerdiode in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Generators steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu mindestens einem Teil (15) dieses Widerstandes (15,18) ein Kommutierungskondensator (13) angeordnet ist und daß der Halbleiterschalter (17) zwischen der von der Steuerelektrode (11) des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters (10) abgewandten Elektrode des Kommutierungskondensators (13) und der Kathode des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters (10) angeordnet ist, so daß der Kommutierungskondensator (13) während der Einschaltzeit des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters (10) aufgeladen wird und sich beim Einschalten des Halbleiterschalters (17) über diesen und die Steuerelektroden-Kathoden-Strecke des schaltbaren Gleichrichters (10) entlädt und diesen dadurch sperrt.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit dem Kommutierungskondensator (13) zur Strombegrenzung ein Widerstand (14) geschaltet ist.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathode und der Steuerelektrode (11) des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters (10) ein Widerstand (12) eingeschaltet ist, der zusammen mit dem von der Steuerelektrode (11) zum Punkt positiven Potentials (5) führenden Widerstand (15, 18) einen Spannungsteiler bildet.

4. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Sollwert der Generatorausgangsspannung abgestimmter Multivibrator (24, 25) vorgesehen ist, der in seinem instabilen Zustand den Halbleiterschalter (17) leitend steuert.

5. Spannungsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (24, 25) mit einer i?C-Rückführung (34, 35) versehen ist.

6. Spannungsregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diei?C-Rückführung(34,35) so ausgebildet ist, daß bei allen Betriebszuständen der an den instabilen Zustand anschließende stabile Zustand des Multivibrators jeweils eine Zeitdauer hat, die mindestens gleich der zur Aufladung des Kommutierungskondensators (13) erforderlichen Mindestzeit ist, um bei allen Betriebsbedingungen die für den Abschaltvorgang des schaltbaren Halbleiter-Gleichrichters (10) erforderliche Aufladung des Kommutierungskondensators (13) zu gewährleisten.

7. Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des RC-Rückführungsgliedes (34, 35) des Multivibrators (24,25) die Zeitkonstante des ÄC-Gliedes (13,14) im Steuerkreis des schaltbaren Gleichrichters (10) etwa um eine Zehnerpotenz übersteigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen