DE1803840C3 - Spannungsregler für einen permanentmagnetisch erregten Wechselstromgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler für einen permanentmagnetisch erregten Wechselstromgenerator mit einer nachgeschalteten Gleichrichteranordnung zum Anschluß eines Gleichstromnetzes und insbesondere einer Batterie sowie mit einer zur Spannungsverminderung am Gleichstromnetz dienenden, über eine Spannungsreferenzdiode in Abhängigkeit von der Spannung des Gleichstromnetzes gesteuerten bidirektionalen Halbleiterschaltanordnung zum Kurzschließen eines Teils der Generatorausgangswicklung beim Überschreiten eines bestimmten Werts der Ausgangsspannung, welche Halbleiterschaltanordnung durch Schaltmittel zum Steuern in Abhängigkeit von der Spannung am Gleichstromnetz in der einen oder anderen Richtung leitend steuerbar ist.

Permanentmagnetisch erregte Generatoren sind sehr robust und wartungsfrei, da sie außer den Lagern für den Rotor keine Teile aufweisen, die dem Verschleiß unterworfen sind. Sie sind deshalb an sich ideale Stromerzeuger für Fahrzeuge, da die Gleichspannung zum Laden der Batterie leicht durch Gleichrichten ihrer Ausgangs-Wechselspannung ge-

wonnen werden kann. Jedoch haben diese Generatoren den Nachteil, daß die Ausgangsspannung je nach Belastung und Drehzahl in außerordentlich weiten Grenzen schwankt. Bei einem Generator für 12 V Nennspannung kann z. B. bei hohen Drehzahlen und niedriger Belastung eine· Ausgangsspannung von über 200 V auftreten. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung eines solchen Generators muß also geregelt worden, wenn .nan ihn in einem Fahrzeug verwenden will, da sonst die angeschlossenen Verbraucher, z. B.

Scheinwerfer oder Fernmeldegeräte, durch Überspannungen rasch zerstört würden.

Aus dem Motorola Zener Diode Handbook, Mai 1967, S. 8-8, ist es bekannt, die gleichgerichtete Ausgangsspannung eines derartigen Generators dadurch zu regeln, daß in Abhängigkeit von der Höhe der gleichgerichteten Ausgangsspannung die Ausgangs-Wechselspannung des Generators mit Hilfe von Thyristoren zeitweise kurzgeschlossen wird. Es sind zwei Thyristoren vorgesehen, deren Schaltstrccke über den Ausgangsklemmen des Generators liegt und von denen der erste die eine, der zweite die andere Halbwelle der Generatorausgiings-Wechselspannun» kurzschließen kann, wenn die Spannung am Gleichstromnetz zu hoch wird. Diese Schaltungsanordnung hat jedoch die Nachteile, daß zwei einzelne Thyristoren verwendet werden müsser., daß die Spannungsregeluni: — die eine reine Ein-Aus-Regelung ist — sehr hart arbeitet und daß die Thyristoren den vollen Kurzschlußstrom des Generators aufnehmen können müssen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Spannungsregler zu schallen, der einfacher und billiger herzustellen ist. weniger und billigere Schaltelemente benötigt und der eine weichere Regelcharakleristik aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten Spannungsregler dadurch erreicht, daß die Halbleiterschaltanordniing durch einen bidirektio-

nalen Thyristor nach Art eines Triac gebildet ist, der parallel zu der einen Teüwicklung der zwei in Serie geschaltete magnetisch miteinander gekoppelte Teilwicklungen aufweisenden Ausgangswicklung des Pcrmancntmagnetgenerators angeschlossen ist.

Der erfindungsgemäße Regler eignet sich in gleicher Weise auch zur Regelung von Mehrphasengeneratoren, sofern die hierfür notwendigen allgemein bekannten Modifikationen vorgenommen werden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildüngen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7. Im folgenden sind Ausi'ührunesbeispiele an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen permanentmagnetisch erregten Wcchselstromgenerator mit nachgeschaltetem, in Mitlelpunktschaltung geschaltetem Gleichrichter und einem erfindungsgemäßen Spannungsreuler,

Fig. 2 Schaltungsvarianten zu der Schaltung nach den F i g. 1 bis 4. "

In allen Figuren werden für gleiche oder üleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.

In F i g. 1 ist ein von einem schematisch dargestellten Permanentmagneten 10 erregter Wechselstromgenerator II dargestellt. Die Ausgangswicklung des Generators 11 ist mit einer Mittelanzapfuns» 34 versehen, so daß zwei Teiiwicklungen 35, 36 entstehen, deren freie Enden jeweils über eine Diode 37 bzw. 38 mit der positiven Leitung 14 verbunden sind, während die negative Leitung 15 an die Mittelanzapfung 34 angeschlossen ist.

Parallel zur Teüwicklung 35 ist ein einen Teil eines Spannungsreglers 20 bildender bidirektionaler Thyristor 21 nach Art eines Triac geschaltet und parallel zu ihm eine Serienschaltung eines Widerstands 22 und einer Kapazität 23 (z. B. 50 Ohm und I).I uF).

Zum Einschalten des Triacs 21 dienen die in Fi sj. 1 rechts einer strichpunktierten Linie 24 dargesteiften Schaltmittel, an deren Stelle für bestimmte Anwendungszwecke auch die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Schaltmittel treten können. Die in Fig. 1 dargestellte Ausbildung der Schallung hat sich jedoch als sehr günstig erwiesen.

Mit der Steuerelektrode 25 des Triac 21 ist hier über einen Punkt B der Kollektor eines ebenfalls zum Spannungsregler 20 gehörenden pnp-Transistors 26 verbunden, dessen Emitter über einen Punkt A mit der positiven Leitung 14 verbunden ist. Seine Basis ist mit der Kathode einer als Spannungsrcferenzdiode dienenden Zenerdiode 27 verbunden, deren Anode am Abgriff 28 eines aus drei Widerständen 29. 30, 31 bestehenden Spannungsteilers liegt, der über einen Punkt A mit der positiven Leitung 14 und über einen Punkt C mit der negativen Leitung 15 verbunden ist.

Die Schaltung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Beim Anfahren arbeitet der Generator 11 zunächst mit niedrigen Drehzahlen, so daß seine Ausuangsspannimg im Bereich der Nennspannung von z. B. 12 V liegt und die Batterie 16 über den Diodengleichrichter 37. 38 einen Ladestrom erhält. Solange die Spannung am Gleichstromnetz 14, 15 unterhalb des gewünschten Wertes liegt (niedrige Drehzahlen oder stark entladene Batterie 16). bleibt der Triac 21 gesperrt, da die Zenerdiode 27 und damit auch der Transistor 26 nichtleitend sind.

Steigt bei höheren Drehzahlen oder bei stark geladener Batterie 16 die Spannung am Gleichstromnetz 14, 15 über einen bestimmten Wert hinaus an, so wird die Zenerdiode 27 leitend. Der Transistor 26 erhält einen Basisstrom und wird dadurch leitend, se daß die Steuerelektrode 25 des Triac 21 einen Strom erhält und dieser bidirektional leitend wird, d. h. sowohl die positive wie die negative Halbwelle der an ihm liegenden Wechselspannung kurzschließt. Der Steuerstrom für den Triac 21 wird vom Generator Il geliefert.

Hierdurch fällt die Spannung am Gleichstromnetz 14, 15 wieder ab, so daß die Zenerdiode 27 wieder gesperrt wird und der Triac 21 beim Nulldurchgang der an ihm liegenden Wechselspannung ebenfalls wieder sperrt. Dieses Schaltspiel wiederholt sich taufend und ergibt eine sehr gute Konstanz der Spannung am Gleichstromnetz 14, 15.

Die Teilwicklungen 35 und 36 sind über das Blechpaket des Generators 11 sehr eng miteinander gekoppelt, so daß der Kurzschluß der Teilwicklung 35 auch als Kurzschluß der Teüwicklung 36 wirkt.

Dies ist deshalb wichtig, weil es hierdurch möglich ist, den Triac 21 nur zu einer Teüwicklung parallelzuschalten und nicht etwa parallel >:ur gesamten AusgangswLklun» 35, 36. Hierdurch vereinfacht sich seine Steuerung sehr stark, da seine eine Anode mit der negativen Leitung 15 direkt verbunden ist und daher der Steuerelektrode 25 in einfacher Weise ein Steuerstrom zugeführt werden kann. Auch wird die Spannungsbelastung des Triac 21 hier wesentlich kleiner als im zweitgenannten Fall, und die Zündung wird sicherer.

Das Kurzschließen der Teüwicklung 35 wirkt also praktisch wie ein Kurzschluß beider Teilwicklungen 35, 36 und führt zu einem Absinken der Spannung am Gleichstromnetz 14, 15, so daß die Zenerdiode 27 und mit ihr der Transistor 26 und der Triac 21 wieder gesperrt werden und sich das beschriebene Schaltspiel wiederholen kann. Die Spannung am Gleichstromnetz 14. 15 wird auf diese Weise in engen Grenzen konstantgchaltcn.

F i g. 1 zeigt eine seht einfache Schaltung zur Steuerung des Triac 21, die bei der Schaltung nach der F i g. 1 verwendet werden kann. Die Steuerelektrode 25 des Triac 21 wird hier über den Punkt B direkt mit dem Abgriff 41 eines am Gleichstromnetz 14, 15 liegenden Spannungsleiters 42. 43. 44 verbunden. Die Steuerstrecke des Triac 21 wird erst leitend, wenn der Abgriff 41 ein bestimmtes Potential erreicht, so daß bereits mit dieser einfachen Schaltung eine Spannungsregelung möglich ist. Jedoch ist hierbei die Spannungskonstanz bei Temperaturänderungen und bei Alterung nicht besonders gut. so daß diese Schaltung nur bei sehr einfachen Reglern Verwendung finden wird.

Fig. 3 zeigt einen Sperrschwingoszülator. der zwischen den Punkten B. C Impulse abgibt, wenn die Spannung an seinem Eingang über einen bestimmten Wert hinaus ansteigt. Fun pup-Transistor 48 i'-t mit ■'hinein Emitter über eine Spule 49 mit der positiven Leitung 14 und mit seinem Kollektor über eine mit der Spule 49 gekoppelte Spule 50 mit der negativen Leitung 14 und mit seinem Kollektor über eine mit der Sptiie 49 gekoppelte Spule 50 mit der negativen Leitung 15 verbunden. Seine Basis ist mit der Kathode einer Zenerdiode 51 und über einen Widerstand 52 mit der positiven Leitung 14 verbunden. Die Anode der Zenerdiode 51 liegt am Abgrilf eines zwischen die Leitungen 14 und 15 geschalteten

Spannungsteilers 54. 55. 56. Eine mit den Wicklungen 49 und 50 gekoppelte Ausgangswieklun» 57 ist zwischen die Klemmen B und C geschaltet.

F i g. 4 zeigt eine Schaltung, bei der zusätzlich zu den Schaltelementen der Fig. 2. die entsprechend wie dort bezeichnet sind, als Spannungsreferen/.element noch eine Zenerdiode 60 vorgesehen ist. Diese wird erst leitend, wenn die Spannung zwischen den Leitungen 14 und 15 einen bestimmten Wert überschreitet und führt dann zum Zünden des Triac 21. Sie isi zwischen den Abgriff 41 und die Klemme Ii »eschallet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Spannungsregler für einen permanentmagnetisch erregten Wechselstromgenerator mit einer nachgesehaketen Gleichrichteranordnung zum Anschluß eines GleichstrontneL'es und insbesondere einer Batterie sowie mit einer zur Spannungsverminderung am Gleichstromnetz dienenden, über eine Spannungsreferenzdiode in Abhängigkeit von der Spannung des Gleichstromnetzen gesteuerten bidirektionalen Halbleiterschaltanordnung zum Kurzschließen eines Teils der Generatorausgangswicklung beim Überschreiten eines bestimmten Werts der Ausgang^spannung, welche Halbleitcrschaltanordnung durch Schaltmittel zum Steuern in Abhängigkeit von der Spannung am Gleichstromnetz in der einen oder anderen Richtung leitend steuerbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltanordnung durch einen bidirektionalen Thyristor nach Art eines Triac (21) gebildet ist. der parallel zu der einen Teilwicklung (35) der zwei in Serie geschaltete magnetisch miteinander gekoppelte Teilwicklungen (35, 36) aufweisenden Ausgangswicklung des Permanentmagnetgenerators (11) angeschlossen ist.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (25) des Triac (21) über eine Zenerdiode (60) oder eine Triggerdiode im Betrieb an eine Spannung angeschlossen ist. deren Größe von der Höhe der Spannung am Gleichstromnetz (14, 15) abhängig ist (F ig. 6).

3. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (25) des Triac (21) über die Schaltstrecke eines Transistors (26) mit einem Pol (14) des Gleichstromnetzes (14, 15) verbindbar ist und daß die Steuerstrecke dieses Transistors in Reihe mit einer Spannungsreferenzdiode (27) im Betrieb an einer von der Höhe der Spannung am Gleichstromnetz abhängigen Gleichspannung liegt.

4. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (25) des Triac (21) an den Ausgang eines Oszillators (Fig. 4) angeschlossen ist, dessen Schwingzustand von der Spannung am Gleichstromnetz (14, 15) abhängig ist.

5. Spannungsregler nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (Fig. 4) als Sperrschwingoszillator ausgebildet ist.

ft. Spannungsregler nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen pnp-Transistor (48) enthält, der mit seinem Emitter über eine erste Spule (49) mit der positiven Leitung (14) des Gleichstromnetzes, mit seinem Kollektor über eine mit der ersten Spule (49) gekoppelte zweite Spule (50) mit der negativen Leitung (15) des Gleichstromnetzes und mit seiner Basis mit der Kathode einer Zenerdiode (57) \erblinden ist. welche mit ihrer Anode an einen am Gleichstromnetz liegenden Spannungsteiler (54, 55. 56) angeschlossen ist.

7. Spannungsregler nach Anspruch 6. dadurch ('^kennzeichnet, daß die Basis des pnp-Transistors

(48) des Sperrschwingoszillators über einen Widerstand (52) mit der positiven Leitung (14) des Gleichstromnetzes verbunden ist.