DE1513398C - Transistorregler für eine Dynamomaschine - Google Patents
Transistorregler für eine DynamomaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorregler für eine Dynamomaschine, mit einem mit der
Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine in Reihe geschalteten Leistungstransistor, dessen Emitter
über einen niederohmigen Widerstand mit einer Ausgangsleitung der Dynamomaschine verbunden ist
und der durch einen Steuertransistor aus dem normalerweise stromleitenden in den gesperrten Zustand
schaltbar ist, bei dem die an der Emitter-Basis-Strecke anliegende Spannung sich in Abhängigkeit von dem
von der Dynamomaschine gelieferten Ausgangsstrom und von der gelieferten Ausgangsspannung derart
ändert, daß jeweils bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes der Steuertransistor aus seinem normaler- ;
weise gesperrten in den leitenden Zustand übergeht, und welchem Leistungstransistor eine mit dem
Steuertransistor in Verbindung stehende Transistor-Schutzeinrichtung zugeordnet ist, die bei einer Überlastung
des Leistungstransistors durch einen Kurzschluß in der Feldwicklung der Dynamomaschine
anspricht und den Steuertransistor in den leitenden und damit den Leistungstransistors in den gesperrten
Zustand bringt.
Bei einem bekannten Transistorregler dieser Gattung (deutsche Auslegeschrift 1 146 572) enthält die
dem Leistungstransistor zugeordnete Transistor-Schutzeinrichtung eine als spannungsabhängiger Widerstand
verwendete, in ihrer Durchlaßrichtung betriebene Siliziumdiode, die mit einem unveränderbaren
Widerstand in Reihe geschaltet ist und mit diesem zusammen zu der aus der Emitter-Kollektor-Strecke
des Leistungstransistors und der Nebenschlußfeldwicklung gebildeten Reihenschaltung parallel liegt.
Parallel zur Siliziumdiode ist ein aus einem Heißleiter ι und einem Festwiderstand bestehender Spannungsteiler
vorgesehen. Zwischen dem Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände und der Basis des Steuertransistors
liegt eine Germaniumdiode, die einen Stromfluß vom genannten Verbindungspunkt zur
Basis des Steuertransistors verhindert, jedoch dann stromdurchlässig wird, wenn das Potential des
Verbindungspunktes niedriger als das Basispotential des Steuertransistors wird. Durch die Diode wird
verhindert, daß die Schutzeinrichtung bei ungestörtem Betrieb des Dynamos den Regelvorgang beeinflußt.
Damit die Schutzeinrichtung den Steuertransistor stromleitend machen und damit den Leistungstransistor
sperren kann, wenn der durch den Leistungstransistor fließende Strom infolge eines die Feldwicklung
ganz oder auch nur teilweise erfassenden Kurzschlusses unzulässig hohe Werte anzunehmen
droht, ist die Größe des niederohmigen Widerstandes zwischen dem Emitter des Leistungstransistors und der
einen Ausgangsleitung der Dynamomaschine so gewählt, daß bei ungestörtem Betrieb und voller
Belastung der Höchstwert des Erregerstromes auftreten kann, ohne daß die Schutzeinrichtung anspricht.
Bei einem anderen bekannten Transistorregler der eingangs beschriebenen Gattung (deutsche Auslegeschrift
1146 174) enthält die dem Leistungstransistor zugeordnete Transistor-Schutzeinrichtung einen. Ver-
Stärkungstransistor und einen bistabilen Multivibrator mit einem Haltetransistor und einem Schalttransistor.
Die Basis des Verstärkungstransistors ist mit dem zwischen dem Emitter und der einen Ausgangsleitung
der Dynamomaschine liegenden niederohmigen Widerstand verbunden. Ein im Kollektorstromkreis des
Verstärkungstransistors angeordneter Arbeitswiderstand ist an den Abgriff eines Potentiometers angeschlossen,
das zwischen der zweiten Ausgangsleitung der Dynamomaschine und einer mit der ersten Ausgangsleitung
verbundenen Hilfsleitung angeordnet ist. Die Transistor-Schutzeinrichtung enthält außerdem
einen zweiten aus drei Widerständen bestehenden Spannungsteiler über der zu regelnden Ausgangsspannung
der Dynamomaschine. Von diesen drei Widerständen sind der zweite und der dritte durch
einen Kondensator überbrückt. An dem Verbindungspunkt des ersten und zweiten Widerstandes ist der
Schalttransistor mit seinem Emitter angeschlossen. Die Basis des Schalttransistors steht mit dem Kollektor
des Verstärkungstransistors und mit dem Kollektor des Haltetransistors über je einen Widerstand in
Verbindung. Der Haltetransistor ist mit seinem Emitter an den Verbindungspunkt der beiden durch den
Kondensator überbrückten Widerstände angeschlossen. Die Basis des Haltetransistors ist über einen weiteren
Widerstand mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden, der außerdem über einen
Widerstand und einen Kondensator an die erste Ausgangsleitung der Dynamomaschine angeschlossen
ist.
Die beiden bekannten Transistor-Schutzeinrichtungen bewirken, daß der Leistungstransistor gesperrt
und somit die Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine stromlos gemacht wird, sobald der Erregerstrom,
beispielsweise infolge eines Teilkurzschlusses, eine noch als zulässig angesehene Stärke überschritten
hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistorregler für eine Dynamomaschine derart zu
gestalten, daß er trotz ausreichenden Schutzes für den Leistungstransistors bei einem Teilkurzschluß der
Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine nicht sofort ausfällt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schutzeinrichtung aus zwei Transistorstufen
besteht, die normalerweise gesperrt sind und von denen die erste Transistorstufe beim Auftreten eines
über einem vorgegebenen Grenzwert liegenden Stromes des Leistungstransistors und die zweite Transistorstufe
beim Auftreten einer über einem bestimmten Grenzwert liegenden Emitter-Kollektor-Spannung des Leistungstransistors
leitet, und daß die beiden Transistorstufen mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken in Serie
in einen von der einen Ausgangsleitung der Dynamomaschine zu dem Steuertransistor führenden Steuer-Strompfad
eingeschaltet sind, über den der Steuertransistor in den leitenden Zustand steuerbar ist, wenn
beide Transistorstufen leitend sind.
Diese Lösung beruht auf folgenden Überlegungen: Die Verlustleistung eines Transistors, die im Bereich
der Grenzschicht zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors frei wird, ist bekanntermaßen
gleich dem Produkt der an dieser Grenzschicht anliegenden Spannung und dem durch sie hindurchfließenden
Strom. Es ist ferner bekannt, daß der Potentialunterschied zwischen dem Emitter und der
Basis eines Transistors stets gering ist, so daß die Verlustleistung eines Transistors näherungsweise dem
Produkt aus der Kollektor-Emitter-Spannung und dem Strom gleichgesetzt werden kann. Um zu vermeiden,
daß der Leistungstransistor eines Transistorreglers durch die Verlustwärme beschädigt wird, genügt es
deshalb, wenn die Transistor-Schutzeinrichtung auf das Produkt aus dem Strom und der Kollektor-Emitter-Spannung
anspricht. Bestimmte Erhöhungen des Stromes oder der Spannung können innerhalb verhältnismäßig
weiter Grenzen zugelassen werden. Der Leistungstransistor ist demnach bei dem erfindungsgemäßen
Transistorregler in jedem Fall bis an die Grenzen seiner Belastbarkeit ausnutzbar und ermöglicht
daher die Fortsetzung des Betriebes der Dynamomaschine auch nach einem Teilkurzschluß in
ihrer Nebenschlußfeldwicklung. Dies wäre nicht möglich, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung und der
Kollektorstrom des Leistungstransistors auf je einen bestimmten, nur geringfügig über dem Sollwert
liegenden Wert begrenzt wären.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Transistorstufen durch je einen Transistor
gebildet, von denen der Transistor der ersten Transistorstufe mit seinem Emitter an die eine Ausgangsleitung
der Dynamomaschine und mit ssiner Basis an den Emitter des Leistungstransistors angeschlossen
ist, während sein Kollektor mit dem Emitter des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors
verbunden ist, dessen Basis an den Kollektor des Leistungstransistors angeschlossen ist und dessen
Kollektor mit der Basis des Steuertransistors in Verbindung steht.
Diese Ausführungsform ist vorzugsweise dadurch weitergebildet, daß in die Verbindungsleitung zwischen
dem Kollektor des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors und der Basis des Steuertransistors ein
Verstärkungstransistor eingefügt ist.
Zum Festlegen des Grenzwerts der Emitter-Kollektor-Spannung des Leistungstransistors, oberhalb dessen
der die zweite Transistorstufe bildende Transistor leitend wird, ist zweckmäßigerweise eine Zener-Diode
in die Verbindungsleitung zwischen dem Emitter des Transistors und dem Kollektor des die erste Transistorstufe
bildenden Transistors eingefügt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
Bei dem dargestellten Transistorregler ist der Emitter-Kollektor-Kreis eines Leistungstransistors T1
in Serie mit der Nebenschlußfeldwicklung / einer Dynamomaschine U und einem Widerstand R1 geschaltet,
an dessen Anschlußklemmen die Basiselektrode bzw. der Emitter eines Zwischentransistors T2
angeschlossen sind, dessen Kollektor über eine Zener-Diode Z1 mit niedriger Spannung mit dem
Emitter eines Hilfstransistors T3 verbunden ist, dessen
Basiselektrode über einen Schutzwiderstand mit dem Ausgang 5 des Leistungstransistors T1 und dessen
Kollektor über Widerstände R3 und Rt mit der
Basiselektrode eines NPN-Verstärkungstransistors T1
verbunden sind. Der Emitter des Transistors T4 ist an Masse geschaltet, während dessen Kollektor über
einen Widerstand Rs an die Basis eines Steuertransistors
T5 angeschlossen ist, der vorgesehen ist, um über seinen Emitter-Kollektor-Kreis auf das Potential
der Basiselektrode des Leistungstransistors T1 einzuwirken.
Die Transistoren T1 bis Ts bilden mit der Zener-
Diode Z1 zusammen eine Schutzeinrichtung, die den
Betrieb des Reglers unterbindet, wenn gemeinsam ein Reglerstrom und eine erhöhte Spannung an den
Klemmen des Leistungstransistors T1 auftreten, was
für den Fall, für den dieser Zustand aufrechterhalten wird, die Zerstörung dieses Transistors zur Folge
hätte.
Gemäß der Erfindung ist der Leistungstransistor T1
während des normalen Betriebes der Dynamomaschine leitend, während der Transistor T2 gesperrt ist, da der
normalerweise fließende Emitterstrom des Leistungstransistors T1 zu klein ist, um den Emitter-Basis-Übergang
des Transistors T2 in den leitfähigen Zustand zu bringen. Der Transistor J3 ist gleichfalls dadurch
gesperrt, daß die Summe der Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors T2 mit der Spannung an
den Klemmen der Zener-Diode Z1 größer ist als die Summe der Emitter-Kollektor-Spannung des Leistungstransistors T1 zusammen mit der Spannung an den
Klemmen des Widerstandes R1. Im Falle eines Kurz-Schlusses,
welcher beispielsweise dadurch hervorgerufen wird, daß die Anschlußklemme 5 an Masse
gelegt ist, wird jede von der Dynamomaschine gelieferte Spannung an den Emitter-Kollektor-Kreis des
Leistungstransistors T1 angelegt, was zur Folge hat,
daß sich die oben angegebene Ungleichheit umkehrt und die Transistoren T2 und T3 leitend werden. Es
fließt demzufolge ein Strom durch die Widerstände Rs und Ri, der nach Erreichen der Basiselektrode des
Transistors T1 durch diesen Transistor verstärkt wird
und seinerseits den Transistor T5 leitend macht, was
zur Folge hat, daß der Leistungstransistor T1 bis zum
Ende des Kurzschlusses gesperrt wird.
Die Begrenzung der Stromstärke wird bei dem Regler gemäß der Erfindung mittels einer Diode, z. B.
mittels der Siliziumdiode D1 erhalten, die mit der
Basis des Transistors Ts verbunden ist und welche
einen Strom durchläßt, wenn die Spannung an der unteren Klemme des Shuntwiderstandes Rs unter eine
entsprechend dem Begrenzungswert gewählte Größe absinkt, wobei der Begrenzungswert durch die Stärke
des von der Dynamomaschine gelieferten Stromes bestimmt ist; der Transistor T5, der dann leitend wird,
sperrt den Leistungstransistor T1, was eine Verringerung
des Stromes in der Nebenschlußfeldwicklung / und folglich eine Verringerung der Größe des von der
Dynamomaschine U gelieferten Stromes zur Folge hat.
Die Änderung der Emitter-Basis-Spannung des Transistors T5 in Abhängigkeit von der Temperatur
ist durch einen Thermistor Th kompensiert, dessen Temperaturcharakteristik durch einen Serienwiderstand
jR7 und einen Parallelwiderstand i?6 korrigiert
ist; die Temperaturkompensation ist noch durch die Verwendung einer Germaniumdiode D2 verbessert,
die parallel zu dem Thermistor geschaltet ist. Unter diesen Voraussetzungen ist der Ausgangsstrom des
Transistors T5 von der Temperatur und demzufolge
auch von dem gewählten Strombegrenzungswert unabhängig.
Die Wirksamkeit des Reglers gemäß der Erfindung hängt vor allem von der Schnelligkeit der Zustandsänderungen
der verschiedenen Transistoren und insbesondere von der Geschwindigkeit ab, mit der die
Sperrung des Leistungstransistors T1 erreicht werden
kann. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung, wie es in der Figur dargestellt ist, zum Verbinden der Basiselektrode
des Leistungstransistors T1 mit dem Kollektor des Transistors T5, welcher die Sperrung des
Leistungstransistors T1 über zwei zwischen zwei Punkte
A und B in Serie eingeschaltete Dioden D3 und D4
steuert, eine Kapazität C2 vor, die parallel zu den Dioden zwischen den oben angegebenen Punkten
eingefügt ist. Wenn der Leistungstransistor T1 leitend
ist, was während des normalen Betriebes der Dynamomaschine der Fall ist, lädt sich die Kapazität C2 auf
eine Spannung auf, die durch die Summe der Spannungen an den Klemmen der Dioden D3 und D4
bestimmt ist; wenn demzufolge der Transistor T5 leitend wird, wird der Punkt A positiv, wobei zu
dieser positiven Spannung vorteilhafterweise die an den Klemmen der Kapazität C2 auftretende Spannung
hinzukommt, so daß die Basiselektrode des Leistungstransistors T1 an ein positives Potential gelegt wird, das
größer als dasjenige seines Emitters ist, wodurch dieser Transistors völlig gesperrt wird.
Durch eine geeignete Wahl der verwendeten Kapazität kann die Steuerung des Leistungstransistors
T1 unabhängig von der Temperatur gemacht werden.
Es wurden oben diejenigen Bauteile der in der Zeichnung gezeigten Schaltung erläutert, die für die
Erfindung von besonderer Wichtigkeit sind; die anderen in der Zeichnung dargestellten Bauteile, d. h. die als
Spannungsteiler oder als Schutz- oder Vorspannwiderstände eingeschalteten Widerstände, der Kapazitäten
und Filterdioden, die Batterie E, der Anlasser F und das Verbrauchernetz P, sind nicht im einzelnen
beschrieben, da sie die in der Transistortechnik allgemein bekannten Eigenschaften besitzen oder da sie
nur für eine besondere Anwendung des Dynamomaschinenreglers gemäß der Erfindung verwendet
werden.
Bei einer praktischen Ausführungsform einer Schaltung gemäß der Erfindung hatten die in der Zeichnung
bezeichneten Bauteile folgende Kennwerte:
Transistoren-Typ
T1 2N174
T2 2N526
T3 2N 526 .
T4, 2N 697
T5 2N669
Dioden
Z1 Zenerspannung 5V
Z2 Zenerspannung 2V
D1 Siliziumdiode 200 mW
D2 Germaniumdiode
D3 Siliziumdiode 200 mW
D4 Siliziumdiode 200 mW
Kapazitäten
C1 0,22 μ-F
C2 22 μ¥ (Elektrolyt)
Widerstände
R1 Shunt 0,1 Ω (2 W)
i?2 1OkQ (1/4 W)
R3 2000 Ω (1/4 W)
i?4 500 Ω (1/4W)
R5 2000 Ω (1/4 W)
Rß 22 Ω (1/4W)
R7 700 Ω (1/4W)
I 513 398
R8 Shunt von 400 mV
zur Strombegrenzung
0,02 Ω (8w) bei einer Grenzstromstärke
von 20 A
.R9 470 Ω (1/4W)
R10 4700 Ω (1/4 W)
Rn 240 Ω (1/4 W)
R12 1200 Ω (1/4 W)
R13 220Ω (IW)
R14, 1200Ω (1/4W)
R15 1500Ω (1/4W)
R15 33ΟΩ (1/4W)
Es wird bemerkt, daß die beschriebenen Bauelemente durch äquivalente Bauelemente, welche die gleichen
Aufgaben erfüllen, ersetzt werden können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
109 586/51
Claims (4)
1. Transistorregler für eine Dynamomaschine1,
mit einem mit der Nebenschlußfeldwicklung der Dynamomaschine in Reihe gesschalteten Leistungstransistor, dessen Emitter über einen niederohmigen
Widerstand mit einer Ausgangsleitung der Dynamomaschine verbunden ist und der durch
einen Steuertransistor aus dem normalerweise stromleitenden in den gesperrten Zustand schaltbar
ist, bei dem die an der Emitter-Basis-Strecke anliegende Spannung sich in Abhängigkeit von
dem von der Dynamomaschine gelieferten Ausgangsstrom und von der gelieferten Ausgangsspannung
derart ändert, daß jeweils bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes der Steuertransistor
aus seinem normalerweise gesperrten in den leitenden Zustand übergeht, und welchem
Leistungstransistor eine mit dem Steuertransistor in Verbindung stehende Transistor-Schutzeinrichtung
zugeordnet ist, die bei einer Überlastung des Leistungstransistors durch einen Kurzschluß
in der Feld\vicklung der Dynamomaschine anspricht und den Steuertransistor in den leitenden
und damit den Leistungstransistor in den gesperrten Zustand bringt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzeinrichtung aus zwei Transistorstufen (T2 und T3) besteht, die normalerweise
gesperrt sind und von denen die erste Transistorstufe (T2) beim Auftreten eines über einem vorgegebenen
Grenzwert liegenden Stromes des Leistungstransistors (T1) und die zweite Transistorstufe
(T3) beim Auftreten einer über einem bestimmten Grenzwert liegenden Emitter-Kollektor-Spannung
des Leistungstransistors (T1) leitet, und daß die beiden Transistorstufen mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken
in Serie in einen von der einen Ausgangsleitung der Dynamomaschine (U) zu dem
Steuertransistor (T5) führenden Steuer-Strompfad (R9-Ts-Z1-Ta-R3-R1-Ti-Rs-Ts) eingeschaltet
sind, über den der Steuertransistor (T5) in
den leitenden Zustand steuerbar ist, wenn beide Transistorstufen (T2 und T3) leitend sind.
2. Transistorregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistorstufen
durch jeweils einen Transistor (T2 bzw. T3) gebildet
sind, daß der Transistor (T2) der ersten Transistorstufe
mit seinem Emitter (über R9) an die eine Ausgangsleitung der Dynamomaschine (U) und
mit seiner Basis an den Emitter des Leistungstransistors (T1) angeschlossen ist, während sein
Kollektor mit dem Emitter des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors (T3) verbunden ist,
dessen Basis (über R2) an den Kollektor des Leistungstransistors (T1) angeschlossen ist und
dessen Kollektor mit der Basis des Steuertransistors (T5) in Verbindung steht.
3. Transistorregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung
zwischen dem Kollektor des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors (T3) und der Basis des
Steuertransistors (T5) ein Verstärkungstransistor (T4) eingefügt ist.
4. Transistorregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zener-Diode (Z1)
in die Verbindungsleitung zwischen dem Emitter des die zweite Transistorstufe bildenden Transistors
(T3) und dem Kollektor des die erste Transistorstufe bildenden Transistors (T2) eingefügt
ist.
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