DE1763120A1 - Spannungsregler - Google Patents

Description

R. 9118
2.4.1968 Ohr/Sz

Anlage zur
Patentanmeldung

R O B E R T BOSCH GMBH, Stuttgart Vl, Breitacheidstraße 4 Spannungsregler

Die Erfindung bezieht sich, auf einen Spannungsregler zum Regeln der Aus gangs spannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere einer Drehstrom-Lichtmaschine, mit einem steuerbaren Halbleiter zum Steuern des Erregerstroms und betrifft eine Vorrichtung, die bei einem Ansteigen der zu regelnden Spannung über einen zugelassenen Höchstwert, beispielsweise infolge von Schaden in der Spannungsregleranordnung, den Erregerstrom abschaltet.

Die bekannten Anordnungen von Spannungsreglern halten die Ausgangsspannung der Lichtmaschine auf einem vorgegebenen mittleren Wert. Kleine Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Spannungswerten ergeben sich laufend durch das Spiel des Reglers, der beim Ansteigen der zu regelnden Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen oberen Grenzwert die Stromzufuhr zur Erregerwicklung unterbricht und sie beim Absinken der Spannung unter einen unteren Grenzwert wieder

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herstellt (Zweipunktregler). Unterbricht die Regleranordnung infolge eines Fehlers den Erregerstrom nicht, wenn die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung den oberen Grenzwert ereicht hat, dann steigt diese Spannung entsprechend der Läuferdrehzahl weiter an, und zwar bis zu unzulässig hohen Werten. Diese Gefahr besteht vor allem bei Reglern, die zum Steuern des Erregersttfoms einen steuerbaren Halbleiter verwenden, beispieJs weise einen Transistor, da hier immer mit einem gewissen Anteil von fehlerhaften Halbleitern gerechnet werden mußj diese werden dabei durch das Durchlegiereri ihrer Emitter-Kollektor-Strecken ständig leitend.

Steigt die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen zulässigen Höchstwert, dann besteht die Gefahr, daß die Fäden der Fahrzeuglampen durchbrennen, daß die Fahrzeugbatterie überladen wird und daß die Batterieflüssigkeit verdampft. Die Folgeschäden nach einem Defekt im Spannungsregler können also erheblich sein.

Bekannt ist eine Anordnung, die zum Vermeiden solcher Schäden im Gefahrenfall den Erregerstrom beispielsweise mit Hilfe eines Überspannungsrelais abschaltet; diese mechanische Anordnung selbst ist Jedoch störanfällig und für viele Anwendungsfälle zu teuer. Eine weitere schon bekannte Schaltungsanordnung mit einem Thyristor, der die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung im Gefahrenfall kurzschließt und damit auch den Erregerstrom zum Versiegen bringt, erfordert mehrere einzelne: Schaltelemente.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die mit geringem Aufwand und mit einem selbst nicht störanfälligen Schaltmittel den Erregerstrom abschaltet, sobald die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen zugelassenen Höchstwert ansteigt.

Eine einfache und wirkungsvolle Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Spannungsregler nach der Erfindung dadurch erreicht, daß an die den Erregerstrom bewirkende Spannung ein spannungsabhängiges Schaltelement angeschlossen ist, das bei der gewünschten Ausgangsspannung

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einen hohen Innenwiderstand aufweint und das beim Ansteigen dieser Spannung über einen zugelassenen Höchstwert seinen Widerstand in Richtung auf einen kleinen Wert bleibend verändert. Die gewünschte Wirkung läßt sich besonders vorteilhaft erzielen, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Schaltelement ein Halbleiterelement, insbesondere eine Halbleiterdiode mit Durchbruchseharakteristik ist, das beim Ansteigen der genannten Spannung über einen zugelassenen Höchstwert die Spannungsquelle im wesentlichen kurzschließt.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.

Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung.

Eine mit 10 bezeichnete Drehstrom-Lichtmaschine hat drei Wechsel-' Stromwicklungen 11, 12, 13 und eine Erregerwicklung 14, die in bekannter Weise relativ zu den Wechselstromwicklungen 11, 12, 15 bewegt wird und dabei in diesen drei um 120° gegeneinander versetzte Wechselspannungen erzeugt.

über drei Gleichrichter 15 stehen die Wechselstromwicklungen 11 bis 13 mit einer gemeinsamen, an Masse angeschlossenen Minusleitung 17 und über drei Gleichrichter 16 mit einer ersten Plusleitung 18 in Verbindung. Die Gleichrichter 15 und 16 sind also, wie ersichtlich, als Dreiphasen-Brückengleichrichter geschaltet. - Zwischen den Leitungen 17 und 18 liegt eine Sammlerbatterie 19.

Eine zweite Plusleitung 22 ist gleichfalls über drei Gleichrichter an die Wechselstromwicklungen 11 bis 13 angeschlossen. Die Gleichrichter 23 bilden zusammen mit den drei Gleichrichtern 15 einen zweiten Brückengleichrichter, so daß zwischen den Leitungen 18 und 17 etwa die gleiche Spannung liegt wie zwischen den Leitungen 22 und 17·

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Zwischen den Leitungen 22 und I7 ist ein als Zenerdiode bekanntes Halbleiterelement 21 mit Durchbruchscharakteristik angeschlossen, und zwar mit der Kathode an der zweiten Plusleitung 22.

Ein Widerstand 24· ist mit seinem einen Anschluß an die Leitung 22 und mit seinem anderen Anschluß über einen Verbindungspunkt 25 an einen Widerstand 26 angeschlossen, der seinerseits über einen als Abgriff 27 dienenden Verbindungspunkt und einen Widerstand 28 mit Masse verbunden ist. Die Widerstände 24·, 26, 28 bilden also zusammen einen Spannungsteiler, der an.die zu regelnde Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10 angeschlossen ist. - Zwischen dem Verbindungspunkt und Masse liegt ein Glättungskondensator 29, der kurzzeitige Spannungsschwankungen zwischen den Leitungen 17 und 22 glättet.

Die Kathode einer als nichtlineares Glied dienenden Zenerdiode 52 ist an den Abgriff 27 angeschlossen. Die Anode der Zenerdiode 32 ist mit der Basis eines als Steuertransistor dienenden npn-Transistors verbunden, dessen Emitter, ebenso wie der Emitter eines zweiten npn-Transistors 34-, direkt mit Masse verbunden ist. Ein Widerstand 35 liegt zwischen der Basis des Transistors 33 und Masse.

Der Kollektor des Transistors 33 ist einerseits direkt mit der Basis des Transistors 34· und andererseits über einen Widerstand 36 mit der Leitung 22 verbunden. Der Kollektor des Transistors 34- ist mit dem einen Anschluß der Erregerwicklung 14 sowie über einen Widerstand mit dem Abgriff 27 verbunden. Der andere Anschluß der Erregerwicklung 14 ist, ebenso wie die Kathode einer ihr parallelgeschalteten Diode 38, an die Leitung 22 angeschlossen.

Die durch eine strichpunktierte Linie 39 umrahmten Bauteile 32 bis 37 bilden zusammen eine Verstärkereinheit, die nur aus Widerständen und Transistoren aufgebaut ist und deshalb leicht als integrierte Schaltung realisiert werden kann. '^v

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Zwischen der Leitung 22 und der Plusleitung 18 liegt die Serienschaltung einer Ladeanzeigelampe 40 und eines Zündschalters 41.

Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: Wenn die Lichtmaschine 10 eine zu kleine Spannung abgibt, ist das Potential am Abgriff 27 so niedrig, daß die Zenerdiode 32 sperrt und der Transistor 33 keinen Basisstrom erhält, also nicht leitet. Sein Kollektor hat dann positives Potential gegenüber der Leitung 17, so daß im Transistor 34 ein Basisstrom fließt und dieser Transistor leitend ist, wodurch ein Strom durch die Erregerwicklung 14 fließt und sich die Ausgangsspannung des Generators 10 erhöht.

Der Kollektor des Transistors 34 hat dabei etwa das Potential der Minusleitung 17, so daß in diesem Fall der Widerstand 37 so.wirkt, als wäre er zwischen den Abgriff 27 und Masse geschaltet. Er verringert also die Spannung am Teilwiderstand 28 des Spannungsteilers 24, 26, 28. und hält dadurch den Steuertransistor 33 und die Zenerdiode 32 fest gesperrt. Steigt die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10, so wird das Potential des Abgriffs 27 schließlich so positiv, daß die Zenerdiode 32 zu leiten beginnt und im Transistor 33 ein Basisstrom Oßßt, so daß dieser ebenfalls beginnt, leitend zu werden. Dabei nimmt sein Kollektorstrom stark zu, wodurch der Basisstrom des Transistors 34 abnimmt. Hierbei wird das Kollektorpotential des Transistors 34 positiver und erreicht etwa das Potential der Leitung 22. Der Widerstand 37 wirkt also jetzt so, als wäre er zwischen dem Abgriff 27 und die Leitung 22 geschaltet, erhöht also das Potential des Abgriffs 27 beispielsweise um 0,2 V. Die Zenerdiode 32 wird durch diese Potentialerhöhung voll leitend. Hierdurch wird der Transistor 34 voll gesperrt.

Die Mitkopplung über den Widerstand 37 ermöglicht ein sehr rasches Umschalten des Transistors 34 aus seinem ausgeschalteten in seinen eingeschalteten Zustand und umgekehrt. Durch die vorteilhafte Anordnung de« Glättungskondensators 29 kann die Mitkopplung durch den Widerstand 37 voll wirksam werden.

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Nach der Sperrung des Transistors 34 sinkt der Strom in der Erregerwicklung 14 - der in diesem Falle durch die Diode 38 weiterfließt -·· exponentiell ab, wodurch auch die Ausgangsspannimg der Lichtmaschine von ihrem oberen Grenzwert wieder absinkt, und zwar so weit, bis die Zenerdiode 32 wieder sperrt. An diesem unteren Grenzwert der Ausgangsspannung wird dann - wie schon geschildert - der Transistor wieder leitend, es fließt aufs neue ein Strom durch die Erregerwicklung 14, die Ausgangsspannung steigt wieder an, und das Regelspiel beginnt von vorn. Der Transistor 34 schaltet den. Strom durch die ^Erregerwicklung 14 jö nach der Belastung der Lichtmaschine etwa zehn- bis hundertmal in der Sekunde ein und aus.

Sollte der Transistor 34 aus irgend einem Grund nicht mehr gesperrt werden, sei es, daß der Strompfad vom Verbindungspunkt 27 zur Basis des Transistors 33 beispielsweise durch einen Defekt an der Zenerdiode 32 unterbrochen ist oder daß der Transistor 34 selbst durchlegiert hat, dann fließt dauernd ein Strom durch, die Erregerwicklung 14. Die Folge davon ist ein unerwünschtes Ansteigen der Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10.

Die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung erreicht in. einem solchen Fall zunächst einen Wert, bei dem die Stromspannungskennlinie der Zener-' diode 21 einen deutlichen Knick aufweist, nämlich den Durchbruchs-Spannungswert. Durch die Zenerdiode 21 fließt ein von der anliegenden Ausgangsspannung abhängiger Zenerstrom, der mit steigender Spannung immer stärker wird. Infolge des ohmschen Widerstands der Zenerdiode steigt die Verlustleistung in diesem Element exponentiell an, so daß ihre Kathoden-Anoden-Strecke alsbald durchlegiert und dadurch einen sehr geringen Durchlaßwiderstand erhält. Die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10 bricht zusammen, der Strom durch die Erregerwicklung 14 nimmt ab, die Lichtmaschine entregt sich, also selbsttätig, über die Ladekontrollampe 40 - die nun aufleuchtet - fließt ein Strom von dem Pluspol 18 der Batterie 19 über die durchlegierte Zenerdiode 21 einerseits und die Erregerwicklung 14 sowie die Regleranordnung andererseits zum Minuspol 17.

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Der geschilderte Schutzvorgang let nicht umkehrbar. Im Fall eines Defekts muß also der gesamte Regler geprüft werden, ohne daß zunächst durch unsachgemäßes Hantieren an der Schaltungsanordnung noch mehr Schaden angerichtet werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer Zenerdiode an den Ausgangsklemmen einer Lichtmaschine parallel zu den Eingängen des zugehörigen Spannungsreglers schafft eine Schutzvorrichtung, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand und auf sichere Weise den Erregerstrom abschaltet, wenn infolge eines Defekts im Spannungsregler die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung unzuläss5,g hohe Werte erreicht. Auf besonders einfache Art werden so die gefürchteten Folgeschäden von Überspannungen im Bordnetz verhindert.

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Claims (2)

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   Ansprüche

   rl J Spannungsregler zum Regeln der Ausgangsspannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere einer Drehstrom-Lichtmaschine, mit einem steuerbaren Halbleiter zum Steuern des Erregerstroms, dadurch gekennzeichnet, daß an die den Erregerstrom bewirkende Spannung ein spannungsabhängiges Schaltelement (23) angeschlossen ist, das bei der gewünschten Ausgangsspannung einen hohen Innenwiderstand aufweist und das beim Ansteigen dieser Spannung über einen zugelassenen Höchstwert seinen Widerstand in Richtung auf einen kleinen Wert bleibend verändert.
2. 2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (21) ein Halbleiterelement ist.

   3· Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (21) eine Halbleiterdiode mit Durchbruchscharakteristik ist.

   4·. Spannungsregler nach Anspruch $, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (21) einen Durchbruchsspannungswert aufweist, der wenig über einen oberen Grenzwert der genannten Spannung liegt, und thermisch nur so wenig belastbar ist, daß der nach nicht kurzfristigem Überschreiten des Durchbruchsspannungswertes um einen

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   vorgegebenen Betrag fließende Sperrstrom den ohmschen Widerstand der Diodenstrecke in Richtung auf einen kleinen Wert bleibend verändert.

   5- Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (21) beim Ansteigen der genannten Spannung über einen zugelassenen Höchstwert die Spannungsquelle im wesentlichen kurzschließt.

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