DE1538315C - Halbleiter-Spannungsregler für einen mit veränderlicher Drehzahl antreibbaren Wechselstromgenerator. AnrrH Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Spannungsregler für einen mit veränderlicher Drehzahl antreibbaren Wechselstromgenerator, der über einen Gleichrichtersatz ein Gleichstromnetz speist, mit einem in Reihe mit der Feldwicklung des Wechselstromgenerators liegenden, an seiner Steuerelektrode ein- und ausschaltbaren steuerbaren Gleichrichter, dessen Steuerelektrode über einen Spannungsteiler an einem im Vergleich zu seiner Kathode positiven Potential liegt und zusätzlich mit einer Schaltanordnung zur Erzeugung der Ausschaltimpulse verbunden ist.

Aus der japanischen Patentschrift 40-9170 (1965) ist ein solcher Regler mit einem steuerbaren Halbleitergleichrichter bekannt, bei der der Halbleitergleichrichter mittels einer Gleichspannung einschaltbar und mittels eines Schaltimpulses an der Steuerelektrode ausschaltbar ist. Der Ausschaltimpuls wird bei diesem bekannten Halbleiter-Spannungsregler jedoch über einen Transistor gewonnen, der seinerseits über eine Zenerdiode von der Generatorausgangsspannung leitend gesteuert wird. Die Regelcharakteristik dieser Anordnung ist somit nicht nur stark von der Temperatur abhängig, sondern auch von den Toleranzen der Bauelemente; außerdem arbeitet die Regelung nicht sehr genau. Solche Regler sind zwar für viele Zwecke ausreichend, genügen aber den An-

forderungen dort nicht, wo an die Konstanz der Gleichspannung höhere Anforderungen gestellt werden. Insbesondere gilt dies für den Fall, daß an dem Gleichstromnetz keine Pufferbatterie vorgesehen ist, die bei Laständerungen oder Lastabschaltungen das Entstehen größerer Spannungsschwankungen verhindert. Es müssen dann zur Glättung teure temperaturfeste Kondensatoren verwendet werden. Aus der japanischen Patentschrift 40-4982 (1965) ist ein Regler

Wicklung des Rückkopplungs-Transformators eine Zenerdiode liegt. Sie stabilisiert die Spannung, so daß wechselnde Betriebsspannungen keinen Einfluß auf das Verhalten des Reglers haben. Außerdem dient die Spannung der Zenerdiode als Vergleichsspannung. Ein besonders einfaches, nichtlineares Netzwerk erhält man dadurch, daß es als Zenerdiode ausgebildet ist, deren Eingangselektrode an eine der Spannung des Gleichstromnetzes proportionale Gleichspannung an-

impulses, sondern durch eine Verbindung mit der Masseleitung. Diese Anordnung weist eine wesentlich geringere Regelsteilheit auf als eine Anordnung mit Impulssteuerung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten, genau arbeitenden Halbleiter-Spannungsregler anzugeben.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs ge

bekannt, bei dem zum Abschalten des Erregerstroms io geschlossen ist, während ihre Ausgangselektrode mit ein steuerbarer Gleichrichter verwendet ist. Der Ka- dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden thode dieses steuerbaren Gleichrichters wird ein posi- ist.

tiver Impuls zugeführt, so daß der Steuerstrom nicht Einen besonders für Generatoren mit starken Lastmehr weiterfließen kann. Gleichzeitig wird auch das Schwankungen auf der Gleichstromseite geeigneten Anodenpotential des steuerbaren Gleichrichters nega- 15 Aufbau des nichtlinearen Netzwerkes erhält man dativ gemacht, so daß auch der Arbeitsstrom des Thyri- durch, daß es als zweiter Transistor ausgebildet ist, stors unterbrochen wird. Bei dieser bekannten Anord- dessen Eingangselektrode an eine der Spannung des nung ist ein Sperrschwingoszillator zum Steuern des Gleichstromnetzes proportionale Gleichspannung ansteuerbaren Gleichrichters verwendet; das Nichtlei- geschlossen ist, während seine Ausgangselektrode mit tendmachen eines steuerbaren Gleichrichters hat je- 20 dem anderen Ende der zweiten Wicklung des Rückdoch einen hohen schaltungstechnischen Aufwand zur kopplungs-Transformators in Verbindung steht. In Folge. Aus der britischen Patentschrift 967 539 ist ein Verbindung mit der parallel zur Serienschaltung von Halbleiter-Spannungsregler mit einem über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors und der Steuerelektrode ein- und ausschaltbaren Halbleiter- einen Wicklung des Rückkopplungs-Transformators gleichrichter bekannt. Die Ausschaltung des Halb- 25 liegenden Zenerdiode arbeitet diese Anordnung als leitergleichrichters erfolgt nicht mit Hilfe eines Schalt- nichtlineares Netzwerk und ist zugleich gegen Überspannungen geschützt.

Um den Restspannungsabfall zwischen Emitter und Kollektor des zweiten Transistors zu kompensie-30 ren, wird mit Vorteil zwischen der Ausgangselektrode des zweiten Transistors und der Basis des ersten Transistors eine Diode angeordnet. Sie verhindert, daß der Sperrschwinger bereits dann schwingt, wenn die Spannung am Gleichstromnetz noch nicht ihren eingestellnannten Halbleiter-Spannungsregler dadurch er- 35 ten Sollwert erreicht hat.
reicht, daß die Schaltanordnung zur Erzeugung der Eine solche Schaltungsanordnung hat mehrere

Ausschaltimpulse einen Sperrschwingoszillator ent- Vorteile, unter anderem die Möglichkeit, ohne Hilfshält, der oberhalb einer bestimmten Soll-Spannung spannung anzufahren und die Möglichkeit, den Eram Gleichstromnetz mit einer bei ansteigender Span- regerstrom kontinuierlich von einem Maximum bis nung steigenden Frequenz schwingt, und dessen Aus- 40 zum Wert Null verstellen zu können, und zwar mit gang über einen vorzugsweise als Zweiwegegleichrich- einer sehr einfach aufgebauten Anordnung, die mit

einer geringen Zahl von Bauelementen auskommt. Dabei ist sie auch gegen starke Spannungsschwankungen unempfindlich und benötigt keinen teuren temperaturfesten Kondensator zum Glätten der Ausgangsspannung, wie das bei den bekannten Reglern dieser Bauart der Fall ist.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in der

Weiterhin ist es vorteilhaft, den Spannungsregler 50 Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es so auszubilden, daß der Spannungsteiler über die Aus- zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Spannungsreglers in Verbindung mit einem dreiphasigen Wechselstromgenerator, Fig. 2 und 3 Schaubilder zur Erklärung der Wirkungsweise des Spannungsreglers nach F i g. 1 und

F i g. 4 das Schaltbild eines Spannungsreglers entsprechend F i g. 1 in vereinfachter Bauart.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung Transistors liegt, und eine zweite Wicklung aufweist, 60 zeigt einen Wechselstromgenerator 10 mit einer dreidie mit ihrem einen Ende mit der Basis dieses Transi- phasigen, im Stern geschalteten Wicklung 11 und

einer Nebenschluß-Feldwicklung 12. Letztere kann rotierend sein, während die Wicklung 11 als Statorwicklung ausgebildet ist, jedoch ist auch eine umgekehrte Anordnung denkbar. Wesentlich ist, daß die ■Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators 10 über den Erregerstrom in der Feldwicklung 12 gesteuert wird.

ter in Mittelpunktschaltung ausgebildeten Gleichrichter einerseits mit der Kathode und andererseits mit der Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters in Verbindung steht.

Mit Vorteil wird der Spannungsregler so ausgebildet, daß der Sperrschwingoszillator in an sich bekannter Weise einen Rückkopplungs-Transformator mit einer Ausgangswicklung aufweist.

gangswicklung des Sperrschwingoszillators und über eine an diese angeschlossene Diode des Gleichrichters mit der Kathode des steuerbaren Gleichrichters verbunden ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Spannungsregler so aufgebaut, daß der Rückkopplungs-Transformator eine erste Wicklung aufweist, die im Emitter-Kollektor-Kreis eines ersten

stors und mit ihrem anderen Ende mit dem Ausgang eines nichtlinearen Netzwerks in Verbindung steht, dessen Ausgangsspannung eine Funktion der Spannung des Gleichstromnetzes ist.

Die Genauigkeit des Reglers wird dadurch weiter verbessert, daß parallel zur Serienschaltung von Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors und der einen

Die Wicklung 11 ist mit einem Gleichrichtersatz (Dreiphasen-Brückengleichrichter) 13 verbunden, der aus sechs Halbleiterdioden besteht. Seine Ausgangsklemmen sind mit einer Plusleitung 14 und einer Minusleitung 15 verbunden, die zusammen ein Gleichstromnetz bilden, an das gegebenenfalls ein Verbraucher 16 sowie über Klemmen 17,18 eine Pufferbatterie 19 angeschlossen werden können. Es ist jedoch ein Vorzug der vorliegenden Schaltungsanordnung, daß sie auch ohne eine solche Pufferbatterie in Betrieb genommen und verwendet werden kann, und zwar auch bei großen Lastschwankungen.

Parallel zur Feldwicklung 12 liegt eine Diode 22 zum Verhüten von Spannungsspitzen bei Unterbrechung des Erregerstromes. Das eine Ende der Feldwicklung 12 ist mit der Plusleitung 14 verbunden, während das andere Ende mit der Anode eines steuerbaren Gleichrichters 23 und einem Pol eines Schalters 24 verbunden ist, dessen Schaltzustand von der Spannung des Gleichstromnetzes abhängt, wie im folgenden noch erläutert wird. Sein anderer Pol ist über einen Widerstand 25, dessen Widerstandswert kleiner als derjenige der Feldwicklung 12 ist, mit der Minusleitung 15 verbunden, mit der auch die Kathode des steuerbaren Gleichrichters 23 über eine Sicherung 26 in Verbindung steht.

Der steuerbare Gleichrichter 23 ist von einem Typ, der bei einem gegenüber dem Kathodenpotential positiven Potential seiner Steuerelektrode leitend und bei einem gegenüber dem Kathodenpotential negativen Potential seiner Steuerelektrode gesperrt wird. Solche Gleichrichter sind unter anderem unter der Bezeichnung »gate controlled switch« im Handel.

Der Schaltzustand des steuerbaren Gleichrichters 23 wird von einem Spannungsregler 27 gesteuert, der die Aufgabe hat, die Spannung zwischen der Plusleitung 14 und der Minusleitung 15 auf einem konstanten Wert zu halten, der an einem Potentiometerarm 28 eines Potentiometers 29 eingestellt werden kann, welches in Serie mit zwei Festwiderständen 32, 33 zwischen den Leitungen 14 und 15 liegt.

Der Spannungsregler 27 besteht im wesentlichen aus einem ersten npn-Transistor 34, der zusammen mit einem mit 35 bezeichneten Rückkopplungs-Transformator einen Sperrschwing-Oszillators bildet, und einem zweiten npn-Transistor 36, der zusammen mit einer der Spannungsstabilisierung dienenden Zenerdiode 37 ein nichtlineares Netzwerk bildet. Als Ausgang des Spannungsreglers 27 dient eine induktiv an den Transformator 35 angekoppelte Ausgangswicklung 38, die in Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung geschaltet ist. Die induktive Ankopplung ist durch eine gestrichelte Linie 39 angedeutet. Die Ausgangsspannung dieses Gleichrichters 53, 54 dient dazu, den steuerbaren Gleichrichter 23 in den nichtleitenden Zustand zu steuern, und zwar um so öfter und länger, je höher die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 ansteigt.

Im einzelnen ist der Spannungsregler 27 wie folgt aufgebaut: An den Potentiometerarm 28 ist die Basis des Transistors 36 und die Kathode einer Schutzdiode 42 angeschlossen, deren Anode an einer Leitung 43 liegt, die mit den Emittern der Transistoren 34 und 36, der Anode einer zweiten Schutzdiode 44 und der Zenerdiode 37 sowie der Anzapfung eines aus zwei Widerständen 45, 46 bestehenden Spannungsteilers, der zwischen den Leitungen 14 und 15 liegt, verbunden ist. Die Zenerdiode 37 dient dazu, das Potential der Leitung 43 gegenüber dem der Plusleitung 14 stabil zu halten, so daß die beiden Transistoren 34 und 36 mit konstanter Betriebsspannung arbeiten.

Der Kollektor des Transistors 34 ist über eine erste Wicklung 47 des Transformators 35 mit der Plusleitung 14 verbunden, während seine Basis mit der Kathode der Schutzdiode 44 und der Kathode einer Kompensierdiode 48 in Verbindung steht, deren Anode über eine zweite Wicklung 49 des Transformators 35 mit dem Kollektor des Transistors 36 verbunden ist, der seinerseits über einen Kollektorwiderstand 50 an der Plusleitung 14 liegt.

Eine Anzapfung 52 der Ausgangswicklung 38 ist mit der Minusleitung 15 und damit der Kathode des steuerbaren Gleichrichters 23 verbunden, während ihr eines Wicklungsende 51 an der Kathode einer Gleichrichter-Diode 53 und ihr anderes Wicklungsende 59 an der Kathode einer Gleichrichter-Diode 54 liegt. Die Anoden beider Dioden 53 und 54 sind miteinander und über einen Widerstand 55 mit der Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters 23 verbunden, von der ein Widerstand 56 zur Plusleitung 14 führt. . Zwischen den Leitungen 14 und 15 liegt die Steuerwicklung 57 eines mit 58 bezeichneten Relais; es ist so eingestellt, daß es bei einem Spannungswert den Schalter 24 öffnet, der knapp unterhalb der gewünschten Sollspannung zwischen den Leitungen 14 und 15 liegt. (Die Schaltung ist für stillstehenden Wechselstromgenerator und eine Batteriespannung dargestellt, die einer stark entladenen Pufferbatterie entspricht).

Für die Erklärung der Arbeitsweise sei angenommen, daß die Pufferbatterie 13 nicht angeschlossen ist und daß der Wechselstromgenerator 10 aus dem Stillstand heraus anfährt. Dann liegt zunächst keine Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15, so daß auch der steuerbare Gleichrichter 23 zunächst kein positives Signal an seiner Steuerelektrode erhalten kann und gesperrt bleibt. Durch ihn kann also auch dann

kein Erregerstrom zur Feldwicklung 12 fließen, wenn der Wechselstromgenerator 10 infolge der magnetischen Remanenz eine kleine Spannung abgibt. Eine Selbsterregung des Wechselstromgenerators 10 über den steuerbaren Gleichrichter 23 ist also nicht mög-

Hch.

Um hier Abhilfe zu schaffen, ist der Schalter 24 vorgesehen, der bei kleinen Spannungen geschlossen ist, so daß über ihn ein Erregerstrom zur Feldwicklung 12 fließen und der Wechselstromgenerator 10 sich selbst erregen kann. Dabei entsteht dann eine ausreichende Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 und es fließt ein Strom von der Plusleitung 14 über die Widerstände 56 und 55, die Dioden 53 und 54 und die Ausgangswicklung 38 zur Minusleitung 15. Dadurch erhält die Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters 23 eine positive Spannung gegenüber der Kathode. Diese Spannung ist in F i g. 2 in der oberen Reihe mit M₂₀ bezeichnet.
■ Bei Erreichen einer bestimmten Spannung am Gleichstromnetz zwischen den Leitungen 14 und 15 öffnet die Steuerwicklung 57 den Schalter 24, so daß der Erregerstrom jetzt nur noch durch den — inzwischen leitend gewordenen — steuerbaren Gleichrichter 23 gesteuert wird.

Wenn in der Feldwicklung 12 ein Kurzschluß entsteht, wird der Erregerstrom zu groß und die Sicherung 26 spricht an, wodurch der Erregerstrom unterbrochen wird und die Spannung zwischen den Leitun-

gen 14 und 15 nach einer e-Funktion absinkt, bis das Relais 58 den Schalter 24 wieder einschaltet. Um in diesem Falle den Kurzschlußstrom über den Schalter 24 zu begrenzen, ist der Widerstand 25 vorgesehen. Sein Widerstandswert soll unter demjenigen der Feldwicklung 12 liegen, damit die Selbsterregung nicht beeinträchtigt wird.

Solange die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 unter dem gewünschten Wert (Sollwert) liegt, ist der Transistor 36 leitend, da seine Basis positiv ge- ίο genüber seinem Emitter ist. Da sein Kollektor dann etwa auf dem Potential der Leitung 43 liegt und dieses Potential über die zweite Wicklung 49 und die Kompensierdiode 48 auch an der Basis des Transistors 34 liegt, ist letzterer Transistor gesperrt. Der restliche Spannungsabfall zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 36 wird hierbei durch die Kompensierdiode 48 kompensiert, so daß in diesem Zustand der Transistor 34 sicher gesperrt ist und nicht schwingen kann. Wie oben ausgeführt, ist in diesem Zustand der steuerbare Gleichrichter 23 leitend und es kann ein Erregerstrom fließen.

Die Schutzdioden 42 und 44 dienen dazu, die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 34 und 36 vor Überspannungen zu schützen, wie sie beim Abschalten von größeren Lasten, besonders von induktiven Lasten, auftreten können.

Wird die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 größer als der gewünschte Wert (Sollwert), so wird die Basis des Transistors 36 negativer, so daß er weniger leitet und sein Kollektor — und damit auch die Basis des Transistors 34 — positiver wird. Durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 34 und die erste Wicklung 47 fließt ein Strom, welcher in der zweiten Wicklung 49 eine Spannung induziert, die die Basis des Transistors 34 noch positiver macht, und dieser Vorgang steigert sich, bis der Kollektorstrom sein Maximum erreicht hat. Dann wird keine Spannung mehr in der zweiten Wicklung 49 induziert, und die Basisspannung wird wieder negativer, wodurch auch der Kollektorstrom wieder kleiner wird, was über die Wicklung 49 ein weiteres Negativwerden der Basisspannung zur Folge hat, bis der Transistor 34 wieder sperrt. In dieser Sperrstellung verharrt er um so kürzer, je positiver der Kollektor des Transistors 36 ist, und wiederholt dann den eben beschriebenen Schwingvorgang.

Bei jedem Schwingvorgang wird beim Zunehmen des Stroms in der Ausgangswicklung 38 eine erste Halbwelle und beim darauffolgenden Abnehmen des Stroms eine entgegengesetzt polarisierte zweite HaIbwelle erzeugt. Nach der Gleichrichtung durch die Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung 38, 52, 53, 54 ergeben diese beiden Halbwellen das in F i g. 2 in der oberen Reihe dargestellte Bild. Die erste Halbwelle ist hier mit 61 und die zweite Halbwelle mit 62 bezeichnet. Nach der Gleichrichtung sind beide negativ und bewirken, daß das Potential der Steuerelektrode zeitweilig negativer wird als das Kathodenpotential des steuerbaren Gleichrichters 23, so daß dieser während dieser Zeit gesperrt wird. Die Spannung U₂ zwischen seiner Anode und seiner Kathode steigt während dieser Zeit etwa auf den Wert der Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 an, wie das in der unteren Reihe von F i g. 2 dargestellt ist.

Je mehr die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 den gewünschten, am Potentiometerarm 28 eingestellten Wert übersteigt, um so dichter folgen die Schwingungen des Sperrschwing-Oszillators (Transi stör 34 und Transformator 35) aufeinander, bis siel das in F i g. 3 dargestellte Bild ergibt, wo das Potentia der Steuerelektrode dauernd negativer ist als das de Kathode (F i g. 3, obere Reihe), so daß der steuerban Gleichrichter 23 überhaupt nicht mehr leitet (F i g. 3 untere Reihe). In diesem Falle sinkt die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 sehr schnell wiede auf den gewünschten Wert ab.

In F i g. 4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt die in gleicher Weise arbeitet wie die in F i g. 1 darge stellte, die aber hauptsächlich für den Betrieb mit Puf ferbatterie gedacht ist. Sie kann jedoch auch ohn Pufferbatterie betrieben werden, wenn die durch Last änderungen oder -abschaltungen auftretenden Über spannungen unter einem bestimmten zulässigen Wer bleiben.

Da der Aufbau der Schaltungsanordnung nacl F i g. 4 ähnlich dem nach F i g. 1 ist, wurden fü gleiche bzw. ähnliche Teile gleiche Bezugszeichen ver wendet.

Zusätzlich zum Brückengleichrichter 13 ist hie noch ein dreiphasiger Erregergleichrichter 65 vorge sehen, an dessen Ausgang die Anode des steuerbare Gleichrichters 23 angeschlossen ist, dessen Kathod mit dem einen Ende der Feldwicklung 12 verbundeist; das andere Ende der Feldwicklung 12 liegt an de Minusleitung 15. Zwischen der Plusleitung 14 und de Anode des steuerbaren Gleichrichters 23 liegt' ehl· Lade-Anzeigelampe 66, die aufleuchtet, solange de Wechselstromgenerator 10 keine ausreichende Lade spannung liefert.

Der Spannungsregler ist in F i g. 4 mit 27' bezeich net und besteht im wesentlichen aus einem pnp-Tran sistor 67, der zusammen mit einem mit 68 bezeichne ten Rückkopplungstransformator einen Sperrschwing Oszillator bildet, der mit einer Zenerdiode 69 zusam menarbeitet, welche als nichtlineares Netzwerk dieni Als Ausgang des Reglers 27' dient eine Ausgangs wicklung 72 des Transformators 68, die in Mittel punkt-Gleichrichterschaltung geschaltet ist. Die Aus gangsspannung des zugehörigen Gleichrichters 75, T dient dazu, den steuerbaren Gleichrichter 23 in de; nichtleitenden Zustand zu steuern, und zwar um si häufiger und länger, je höher die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 ansteigt.

Im einzelnen ist die Gleichrichterschaltung ähnliclwie diejenige nach F i g. 1 ausgebildet. Eine Anzap fung 73 der Ausgangswicklung 72 ist mit der Kathock des steuerbaren Gleichrichters 23 verbunden, wäh rend ihr eines Wicklungsende 74 an der Kathode eine Gleichrichter-Diode 75 und ihr anderes Wicklungs ende 76 an der Kathode einer Gleichrichter-Diode T, liegt. Die Anoden beider Dioden 75 und 77 sind mit einander und über den Widerstand 55 mit der Steuer elektrode des steuerbaren Gleichrichters 23 verbunden; sie stehen außerdem mit dem einen Belag eines Glättungskondensators 78 in Verbindung, dessen anderer Belag mit der Anzapfung 73 verbunden ist. Er dient dazu, am Ausgang der Dioden 75, 77 die Spannung zu glätten.

Der Emitter des Transistors 67 liegt an der Plusleitung 14; sein Kollektor ist über eine erste Wicklung des Rückkopplungstransformators 68 und einen KoI lektorwiderstand 80 mit der Minusleitung 15 verbun den, während seine Basis über einen Widerstand 8 und eine zweite Wicklung 82 mit der Kathode de Zenerdiode 69 und einem Anschluß eines Widerstar

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des 83 verbunden ist, dessen anderer Anschluß an der Plusleitung 14 liegt. Die Anode der Zenerdiode 69 ist mit dem Potentiometerarm 28 und dem einen Belag eines Kondensators 84 verbunden, dessen anderer Belag an der Plusleitung 14 liegt.

Die Anordnung nach F i g. 4 arbeitet wie folgt: Solange die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 eine am Potentiometerarm 28 einstellbare Sollspannung nicht überschreitet, ist die Zenerdiode 69 nicht leitend und die Basis des Transistors 67 liegt auf dem Potential der Plusleitung 14, so daß kein Basisstrom fließt und der Transistor 67 gesperrt ist. Gleichzeitig fließt über die Widerstände 56, 55, die Dioden 75, 77, die Ausgangswicklung 74 und die Feldwicklung 12 ein Strom, so daß die Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters 23 gegenüber dessen Kathode eine positive Spannung hat. Der steuerbare Gleichrichter 23 ist also leitend und es fließt ein Erregerstrom durch die Feldwicklung 12.

Übersteigt die Spannung am Gleichstromnetz (Leitungen 14 und 15) die eingestellte Sollspannung, so wird die Zenerdiode 69 leitend und fließt ein Basisstrom im Transistor 67, so daß dieser zu schwingen beginnt, und zwar bei kleinen Basisströmen (entsprechend einer kleinen Überschreitung der Sollspannung) mit einer niederen Frequenz, bei großen Basisströmen mit einer hohen. Der Schwingvorgang selbst entspricht dem bei F i g. 1 für den Transistor 34 beschriebenen.

Durch die Dioden 75 und 77 wird bei jeder Schwingung der Einschaltimpuls und der Ausschaltimpuls gleichgerichtet und über den Widerstand 55 der Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters 23 als Spannung U₂ so zugeführt, daß ein negativer Steuerstrom fließen kann, der den steuerbaren Gleichrichter 23 für die Dauer dieses negativen Steuerstromes ausschaltet (vgl. F i g. 2).
Da mit steigender Frequenz der Sperrschwingungen

ίο diese Ausschaltzeiten immer länger werden, kann auf diese Weise der Erregerstrom kontinuierlich von einem Maximum bis zum Wert Null gesteuert werden. Letzter Wert ist in F i g. 3 dargestellt.

Statt der beschriebenen Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung kann auch eine Einweg-Gleichrichterschaltung verwendet werden. Eine solche entsteht z.B., wenn bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 die Diode 54 oder bei der nach F i g. 4 die Diode 77 entfernt wird. Dann wird nur noch die Einschalt- oder die Ausschalt-Halbwelle jeder Sperrschwingung zum Ausschalten des steuerbaren Gleichrichters 23 genutzt. Es ergeben sich dann aber kürzere Ausschaltzeiten, weswegen eine höhere Frequenz der Sperrschwingungen erforderlich ist, was in vielen Fällen unerwünscht ist, z. B. wegen der Rundfunkentstörung in einem Kraftfahrzeug. Ein gewisser Ausgleich ist hier jedoch durch Verwendung eines größeren Glättungskondensators (z. B. Kondensator 78 in F i g. 4) möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Spannungsregler für einen mit veränderlicher Drehzahl antreibbaren Wechselstromgenerator, der über einen Gleichrichtersatz ein Gleichstromnetz speist, mit einem in Reihe mit der Feldwicklung des Wechselstromgenerators liegenden, an seiner Steuerelektrode ein- und ausschaltbaren steuerbaren Gleichrichter, dessen Steuerelektrode über einen Spannungsteiler an einem im Vergleich zu seiner Kathode positiven Potential liegt und zusätzlich mit einer Schaltanordnung zur Erzeugung der Ausschaltimpulse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung zur Erzeugung der Ausschaltimpulse einen Sperrschwingoszillator (34, 35; 67, 68) enthält, der oberhalb einer bestimmten Soll-Spannung am Gleichstromnetz (14, 15) mit einer bei ansteigender Spannung steigenden Frequenz schwingt, und dessen Ausgang über einen vorzugsweise als Zweiweggleichrichter in Mittelpunktschaltung ausgebildeten Gleichrichter (53, 54; 75, 77) einerseits mit der Kathode und andererseits mit der Steuerelektrode des steuerbaren Gleichrichters in Verbindung steht.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch . gekennzeichnet, daß der Sperrschwingoszillator (34, 35; 67, 68) in an sich bekannter Weise einen Rückkopplungs-Transformator (35; 68) mit einer Ausgangswicklung (38; 72) aufweist.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (55, 56) über die Ausgangswicklung (38; 72) des Sperrschwingoszillators und über eine an diese angeschlossene Diode (53; 75) des Gleichrichters mit der Kathode des steuerbaren Gleichrichters (23) verbunden ist.

4. Spannungsregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungs-Transformator (35; 68) eine erste Wicklung (47; 79) aufweist, die im Emitter-Kollektor-Kreis eines ersten Transistors (34; 67) liegt, und eine zweite Wicklung (49; 82) aufweist, die mit ihrem einen Ende mit der Basis dieses Transistors (34,67) und mit ihrem anderen Ende mit dem Ausgang eines nichtlinearen Netzwerks (36, 37; 69) in Verbindung steht, dessen Ausgangsspannung eine Funktion der Spannung des Gleichstromnetzes (14, 15) ist.

5. Spannungsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Serienschaltung von Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors (34) und der einen Wicklung (47) des Rückkopplungs-Transformators (35) eine Zenerdiode (37) liegt. ■■-■■.

6. Spannungsregler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Netzwerk als Zenerdiode (69) ausgebildet ist, deren Eingangselektrode an eine der Spannung des Gleichstromnetzes (14, 15) proportionale Gleichspannung — Potentiometerarm (28) — angeschlossen ist, während ihre Ausgangselektrode mit dem anderen Ende der zweiten Wicklung (82) des Rückkopplungs-Transformators (68) in Verbindung steht.

7. Spannungsregler nach Anspruch 5, dadurch

gekennzeichnet, daß das nichtlineare Netzwerk als zweiter Transistor (36) ausgebildet ist, dessen Eingangselektrode an eine der Spannung des Gleichstromnetzes (14, 15) proportionale Gleichspannung — Potentiometerarm (28) — angeschlossen ist, während seine Ausgangselektrode mit dem anderen Ende der zweiten Wicklung (49) des Rückkopplungs-Transformators (35) in Verbindung steht. .

8. Spannungsregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ausgangselektrode des zweiten Transistors (36) und der Basis des ersten Transistors (34) eine Diode (48) angeordnet ist, um den Restspannungsabfall zwischen Emitter und Kollektor des zweiten Transistors (36) zu kompensieren.

9. Spannungsregler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Emitter-Basis-Strecke mindestens eines der beiden Transistoren (34, 36) eine Diode (44, 42) geschaltet ist, um diese Transistoren vor Überspannungen zu schützen.

10. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung von Kollektorwiderstand (50) und Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors (36) parallel zur Zenerdiode (37) liegt.

11. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum steuerbaren Gleichrichter (23) der Öffnerkontakt (24) eines an das Gleichstromnetz (14, 15) angeschlossenen Relais (58) angeordnet ist, der bei einer Spannung öffnet, die unterhalb der Soll-Spannung liegt.