DE2649306A1

DE2649306A1 - Spannungsregler fuer generatoren in kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE2649306A1
Application number: DE19762649306
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl Ing Dr Arend
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1978-05-03
Also published as: JPS6133358B2; US4129819A; IT1113665B; GB1577436A; JPS5355728A; FR2369734A1; FR2369734B1

Description

Stand der Technik κ

Die Erfindung geht aus von einem Spannungsregler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, bei Generatoren, deren Ausgangsspannung vom Erregerstrom und der Drehzahl abhängt, in den Anwendungsfällen, in denen eine ständig wechselnde Drehzahl vorliegt, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Regler zur Regelung der Spannung einzusetzen. Bei den bekannten Reglern wird der Strom durch die Erregerwicklung des Generators von einem Schalttransistor gesteuert, wobei die Basis des Schalttransistors im allgemeinen über eine Zenerdiode mit einem Spannungsteiler verbunden ist, der über der Erregerspannung oder der Spannung an der Batterie des Kraftfahrzeuges liegt. Übersteigt die Spannung am Spannungsteiler den Wert, bei dem die Zenerdiode durchschaltet, wird der Schalttransistor gesperrt und der Strom durch die Erregerwicklung nimmt ab. Ist die Spannung am Spannungsteiler wieder unter einen Wert abgesunken, der für die Leitung der Zenerdiode nicht mehr ausreicht, wird der Schalttransistor wieder in den leitenden Zustand versetzt und der Erregerstrom steigt wieder an. Auf diese Weise wird ein Zwei-Punkt-Regler realisiert, der jedoch nur innerhalb einer bestimmten Hysterese und nicht stetig regelt,

Um das Verhalten des Spannungsreglers zu verbessern, ist es bekannt, statt eines Schalttransistors die Kombination von einem oder mehreren Schalttransistoren und einem oder mehreren Steuertransistoren zu verwenden. Das Betriebsverhalten des so geschaffenen Regelverstärkers kann weiterhin durch verschiedene Formen der Rückkopplung verbessert werden.

Aus der GB-PS 979 *J15 ist ein Spannungsregler bekannt, bei dem ein Steuertransistor einen Schalttransistor ansteuert. Dabei ist der Ausgang des Schalttransistors mit einem RC- Glied auf die Basis des Steuertransistors rückgekoppelt. Die Basis des Steuertransistors ist in oben beschriebener Weise über eine Zenerdiode mit der Anzapfung eines Spannungsteilers verbunden. Gelangt die Zenerdiode in ihren leitenden Bereich, bewirkt die Rückkopplung vom Schalttransistor auf den Steuertransistor mit dem RC-Glied, daß der Regelverstärker

809818/0325

instabil wird. Es tritt dann eine Kippschwingung auf, bei der der Regelverstärker von einem Zustand, bei dem der Steuertransistor leitet und der Schalttransistor sperrt mit einer Frequenz, die durch das RC-Glied bestimmt wird in einen anderen Zustand umschaltet, in dem der Steuertransistor sperrt und der Schalttransistor leitet. Das Tastverhältnis dieser Kippschwingung, d.h. das Verhältnis von Periodendauer zu der Dauer des Zustandes, in dem der Schalttransistor leitet, ist von dem Strom durch die Zenerdiode bestimmt. Auf diese Weise ist aus dem Zwei-Punkt-Regler ein stetig wirkender, selbstschwingender Zwei-Punkt-Regler geworden. Obwohl dieses Verfahren . eine erhöhte Regelgeschwindigkeit insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Generators, bei denen ohne die beschriebene Rückkopplung ein Flackern der Ladekontrolleuchte auftreten würde, ergibt, treten durch die ständigen Umschaltvorgänge Spannungssprünge auf, die die Schalthysterese unerwünscht erweitern.

In der GB-PS 1 205 421 ist ein weiterer Spannungsregler bekanntgeworden, bei der neben der oben beschriebenen Rückkopplung durch ein RC-Glied eine weitere, starre Rückkopplung angewendet wird. Dazu wird der Schalttransistor durch einen Emitterwiderstand stromgegengekoppelt und die Spannung an dem Emitter des Schalttransistors durch einen Widerstand auf die Basis des Steuertransistors rückgekoppelt, die wiederum über eine Zenerdiode mit der Anzapfung eines Spannungsteilers verbunden ist. Die Rückkopplung des Kollektors des Schalttransistors über ein RC-Glied auf die Basis des Steuertransistors wirkt hier als verzögerte Mitkopplung; die Rückführung des Emitters des Schalttransistors mit einem Widerstand auf die Basis des Steuertransistors als starre Gegenkopplung. Durch die verzögerte Mitkopp-, lung wird ein selbstschwingendes stetiges Regelverhalten in der oben beschriebenen Weise bewirkt. Durch die starre Gegenkopplung wird eine Stabilisierung des Regelverstärkers erreicht, insbesondere gegenüber Schwankungen in den Verstärkungsfaktoren der Transistoren sowie Schwankungen der Betriebsparameter des Reglers, ohne jedoch die Umschaltstörgrößen aüszuregeln.

Aus der DT-OS 1 613 983 ist ein Spannungsregler bekannt, bei

809&18/032B. ^

dem der Spannungsteiler über der Erregerspannung liegt und eine weitere Anzapfung aufweist, von der ein Kondensator gegen Masse geführt ist. Die erste Anzapfung des Spannungsteilers ist in der beschriebenen Weise über eine Zenerdiode mit dem Steuertransistor verbunden. Weiterhin ist der Kollektor des Schalttransistors über einen Widerstand mit der ersten Anzapfung des Spannungsteilers verbunden, d.h. der Regelverstärker ist starr mitgekoppelt. Zur Kompensation von Temperatureinflüssen sind überdies zwei Dioden in Reihe mit der Zenerdiode geschaltet. Durch die Zuschaltung des Kondensators zwischen die weitere Anzapfung des Spannungsteilers und Masse wird eine Glättung der Führungsgröße des Reglers erreicht. Der Regelr ist somit ein Zwei-Punkt-Regler mit zwei diskreten Schaltzuständen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Spannungsregler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, einen selbstschwingenden, stetig wirkenden Zwei-Punkt-Regler darzustellen, der überdies von den Dioden herrührende Störgrößen ausregelt, und dessen Bauelemente so bemessen sind, daß sie sich in einer integrierten Schaltung zusammenfassen lassen. Durch Verwendung des bereits vorhandenen Glättungskondensators als Verzögerungsglied für die Gegenkopplung können die Kosten für ein weiteres Bauelement eingespart werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungsreglers ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt das Schaltbild einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Spannungsreglers mit einem Drehstromgenerator. , -

- 5 809818/032 5

•Beschreibung der Erfindung

In der Figur ist das Schaltbild einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Spannungsreglers.dargestellt. Ein Drehstromgenerator 1 mit einer Erregerwicklung 2 und Ständerwicklungen 3 ist an einen Drehstrombrückengleichrichter angeschlossen. Der Drehstrombrückengleichrichter besteht aus Plus-Dioden 4 und Minus-Dioden 5· Die Plus-Dioden H liegen mit ihrer Katode an einer Plusklemme 6, die Minus-Dioden 5 liegen mit ihrer Anode an einer Masseleitung 7· Außerdem sind Erregerdioden 8 vorgesehen, die mit ihrer Anode an den Wechselspannungsausgang des Drehstromgenerators 1 angeschlossen sind. Zur Regelung der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Drehstromgenerators 1 an der Plusklemme 6 ist ein Spannungsregler 9 vorgesehen, der eine erste Eingangsklemme 10, eine zweite- Exngangsklemme 11 und eine dritte Eingangsklemme 12 aufweist. Die erste Eingangsklemme 10 - in der Fachsprache D ist mit der Katode der Erregerdioden 8 und der Erregerwicklung verbunden. Die zweite Eingangsklemme - in der Fachspache DF bezeichnet - ist mit dem anderen Ende der Erregerwicklung 2 verbunden. Die dritte Eingangsklemme - in der Fachspache als D_ bezeichnet - liegt an der Masseleitung 7· Parallel .zur Erregerwicklung 2 ist zwischen die erste Eingangsklemme 10 und die zweite Eingangsklemme 11 eine Diode 13 geschaltet. Zwischen der zweiten Eingangsklemme 11 und der dritten Eingangsklemme 12 liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors Ik. Zwischen die erste Eingangsklemme 10 und die dritte Eingangsklemme 12 des Reglers 9 ₃ d.h. zwischen die Erregerspannung und Masse ist weiterhin ein Spannungsteiler geschaltet, der aus Widerständen 15, 16 und 17 besteht. Der Spannungsteiler verfügt über eine erste Anzapfung 18 und eine zweite Anzapfung 19. Von der ersten Anzapfung 18 führt eine in Sperriehtung geschaltete Zenerdiode 20, die mit zwei in Durchlaßrichtung geschalteten Dioden 21 und 22 in Reihe geschaltet ist zur Basis eines Steuertransistors 23· Der Steuertransistor 23 ist weiterhin über einen Basiswiderstand 2*1 an Masse und über einen Kollektorwiderstand 25

- 6 809818/0325

an die Erregerspannung angeschlossen. Der Kollektor des Steuertransistors 23 ist mit der Basis eines Transistors 26 verbunden dessen Emitter-Kollektor.strecke über der Kollektor-Basisstrecke des Schalttransistors 14 liegt. Der Emitter des Transistors 26 ist mit der Basis des Schalttransistors _1H und über einen Basiswiderstand 27 an Masse angeschlossen.

Von der zweiten Eingangsklemme 11 des Spannungsreglers führt ein Pfad mit einem Widerstand 32 an die erste Anzapfung des Spannungsteilers. Ein zweiter Pfad führt von der zweiten Eingangsklemme 11 über einen Widerstand 29 auf die Basis eines Transistors 30. Der Emitter des Transistors 30 ist an Masse angeschlossen der Kollektor liegt über einen Widerstand an der zweiten Anzapfung 19 des Spannungsteilers. Zwischen die zweite Anzapfung 19 des Spannungsteilers und Masse ist überdies ein Glattungskondensator 28 geschaltet.

Der Drehstromgenerator I₉ der von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angetrieben wird, liefert eine Wechselspannung an den Gleichrichter, an dessen Plusklemme 6 eine Ausgangsgleichspannung gegen Masse angenommen werden kann. Die Plusklemme 6 ist mit dem Pluspol"einer nicht dargestellten Fahrzeugbatterie verbunden und speist von dort aus die Verbraucher des Kraftfahrzeuges.

Die Ausgangsgleichspannung der Erregerdioden 8 gelangt auf die erste Eingangsklemme 10 des Spannungsreglers 9· Die Erregerwicklung 2 des Drehstromgenerators 1 wird an die erste Eingangsklemme 10 und die zweite Eingangsklemme 11 des Spannungsreglers 9 angeschlossen, zwischen zweiter Eingangsklemme 11 und dritter Eingangsklemme 12 liegt die Schaltstrecke des Schalttransistors 14. Damit kann der Strom durch die Erregerwicklung 2 von der ersten Eingangsklemme 10 nach Masse durch den Schalttransistor 14 eingestellt werden. Als Führungsgröße für den·Spannungsregler 9 dient in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel die Spannung an den Erregerdioden 8. Zwischen die Erreger-

- 7 -809818/0325

spannung und Masse ist ein Spannungsteiler geschaltet, von dessen erster Anzapfung 18 die Zenerdiode 20 zur Basis des Steuertransistors 23 führt. Der Transistor 26 und der Schalttransistor Ik sind Kaskade geschaltet und werden vom Steuertransistor 23 in der Weise gesteuert, daß der Schalttransistor Ik leitet, wenn der Steuertransistor 23 sperrt und der Schalttransistor 14 sperrt wenn der Steuertransistor 23 leitet. Ohne Berücksichtigung der Rückkopplungspfade über den Widerstand 32 und den Widerstand 29 den Transistor 30 und den Widerstand 31 würde der Regler in folgender Weise arbeiten: über den Widerstand 25 fließt ein Strom in den Transistor 26, der damit den Transistor Ik in den leitenden Zustand versetzt. Dadurch fließt ein Strom durch die Erregerwicklung 2 des Drehstromgenerators 1. Wird der Drehstromgenerator 1 von einer Brennkraftmaschine angetrieben, steigt seine Ausgangsspannung an, da die Ausgangsspannung eines Generators dem Produkt aus Drehzahl und Erregerstrom näherungsweise proportional ist. Mit ansteigender Ausgangsspannung an dem Drehstromgenerator 1 .steigt ebenfalls die Gleichspannung an der Plusklemme 6 sowie an den Katoden der Erregerdioden 8, d.h. an der ersten Eingangsklemme 10. Durch den Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 15» 16 und 17 fließt ein ansteigender Strom, der das Potential der ersten Anzapfung 18 ebenfalls ansteigen läßt. Hat die erste Anzapfung 18 eine, bestimmte Spannung gegen Masse erreicht, ist damit auch die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 20 erreicht und es fließt ein Strom über die zur Temperaturkompensation dienenden Dioden 21 und 22 in die Basis des Steuertransistors 23. Der Steuertransistor 23 wird hierdurch in den leitenden Zustand versetzt und sperrt damit in der oben beschriebenen- Weise den Schalttransistor Ik. Der Strom durch die Erregerwicklung nimmt dadurch ab und damit die Ausgangsspannung des Drehstromgenerators 1. Durch Absinken der Gleichspannung an der ersten Eingangsklemme 10 und damit an der ersten Anzapfung 18 wird ein Spannungswert erreicht, bei dem die Zenerdiode 20 in den nicht leitenden Zustand gerät. Dann sperrt der Steuertransistor 23 wieder

- 8 809818/0321

und der Schalttransistor wird leitend. Damit weist der Spannungsregler 9 ein Zweipunkteregelverhalten auf, bei dem die Spannungswerte, bei denen umgeschaltet wird, durch die Daten der Zenerdiode 20 bestimmt werden.

Durch Hinzufügen eines ersten Rückkopplungspfades kann das Regelverhalten des Spannungsreglers 9 verändert werden. Der Widerstand 32 ist zwischen die zweite Eingangsklemme 11 und die erste Anzapfung 18 des Spannungsteilers geschaltet. Der Widerstand 32 wirkt als starre Mitkopplung, da er beispielsweise einen Spannungsanstieg an der zweiten Eingangsklemme 11, der einem Sperren des Schalttransistors 14 entspricht, auf die Basis des Steuertransistors 23 überträgt, und diesen dadurch noch weiter in den leitenden Zustand bringt. Die starre Mitkopplung durch den Widerstand 32 bewirkt demnach eine Beschleunigung der Schaltvorgänge bei Erreichen der Grenzen des Zweipunktreglers.

In dem zweiten Rückkopplungspfad ist von der zweiten Eingangsklemme 11 der Widerstand 2Q mit der Basis des Transistors 30 verbunden, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor über den Widerstand 31 mit der zweiten Anzapfung 19 des Spannungsteilers verbunden ist. Diese Rückkopplung wirkt als verzögerte Gegenkopplung und verleiht dem Regelverstärker ein instabiles Verhalten. Wird beispielsweise der Schalttransistor 14 in den gesperrten Zustand gesteuert, steigt das Potential an der zweiten Eingangsklemme 11 an. Damit steigt auch die Spannung an der Basis des Transistors 30, der zu leiten beginnt. Ist der Transistor 30 durchgesteuert, wird der zweiten Anzapfung 19 des Spannungsteilers über den Widerstand 31 Strom entzogen, der wegen des parallelgeschalteten Glättungskondensators 28 einen expotentiell ansteigenden Verlauf hat. Damit sinkt das Potential der zweiten Anzapfung 19 des Spannungsteilers ab und die Zenerdiode 20 kann wieder in den nichtleitenden Zustand gelangen, sofern der Ruhestrom durch die Zenerdiode 20 gering genug war. Dies bedeutet, daß

V 9...-809818/0325

der Regelverstärker eine Eigenschwingung ausführt, deren Frequenz durch die Zeitkonstante bestimmt wird, die aus dem Glättungskondensator 28 und den Widerständen 31, 15, 16 und 17 gebildet wird. Der Zweipunktregler mit den beiden diskreten Schaltzuständen "Ein" und "Aus" ist damit in einen stetig wirkenden, selbstschwingenden Zweipunktregler umgewandelt worden. Die obere Grenze für die Eigenschwingung ist dann erreicht, wenn der Strom durch die Zenerdiode 20 so groß ist, daß der Stromentzug über den Widerstand 31 und den Transistor 30 die Zenerdiode 20 nicht wieder in den gesperrten Zustand zu bringen vermag.

Ein weiterer erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Spannungsreglers besteht darin, daß durch den Rückkopplungspfad über den Transistor 30 dem Regler eine Ersatzstörgröße aufgeschaltet wird. Betrachtet man nämlich den zeitlichen Verlauf der Spannung an den Erregerdioden, stellt man Spannungssprünge fest, die eine Folge der Stromsprünge des schaltenden Reglers sind und praktisch die Änderung der Flußspannung der Gleichrichterdioden im Erregerkreis darstellen. Verwendet man wie im Ausführungsbeispiel die Spannung an den Erregerdioden als Führungsgröße, können sich die beschriebenen Spannungssprünge störend im Regelverhalten bemerkbar machen. Da die Störgröße der Führungsgröße überlagert ist, kann durch eine Verbesserung des Regelverstärkers keine Abhilfe geschaffen werden, es muß vielmehr eine Aufschaltung der Störgröße auf den Regelverstärker erfolgen. Da die Störgröße an der ersten Eingangsklemme 10 des Spannungsreglers 9 meßtechnisch nur schwer zu erfassen ist, wird die Spannung an der zweiten Eingangsklemme 11 verwendet und als Ersatzstörgröße über den Rückkopplungspfad mit dem Transistor 30 dem Regler an der zweiten Anzapfung des Spannungsteilers aufgeschaltet. Der ohnehin vorhandene Glättungskondensator 28 zur Siebung der Erregerspannung wird dabei gleichzeitig zur Verzögerung der Gegenkopplung verwendet. Da die Gegenkopplung durch einen als gesteuerte Stromquelle geschalteten Transistor realisiert ist, kann die Schaltung des Spannungsreglers 9 insgesamt in einem hohen Maße in integrierter Schaltungstechnik

809818/0325 - 10 -

ausgeführt werden.

Der erfindungsgemäße Spannungsregler kann selbstverständlich auch für solche Vorrichtungen· verwendet werden, bei denen als Führungsgröße die Spannung an der Fahrzeugbatterie statt der Erregerspannung verwendet wird. Auch dann wirkt der erfindungsgemäße Spannungsregler als selbstschwingender, stetiger Zweipunktregler, dessen Tastverhältnis sich so einstellt, daß der arithmetische Mittelwert des Stromes durch die Erregerwicklung 2 dem gewünschten Spannungswert an der Plusklemme 6 entspricht.

- 11 -

809818/0325

Claims

Patentansprüche

1'."^;Spannungsregler für Generatoren mit einer Erregerwicklung und einem dazu m Reihe geschalteten Halbleiterschalter, der über eine Zenerdiode von der Spannung an einer ersten Anzapfung eines über der zu regelnden Spannung liegenden Spannungsteilers steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des Halbleiterschalters und der Erregerwicklung (2) über eine verzögert wirkende Gegenkopplung (28, 29, 30, 31) mit einer zweiten Anzapfung (19) des Spannungsteilers (15* 16, 17) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterschalter ein Schalttransistor (14) verwendet wird, der von einem Steuertransistor (23) gesteuert wird, •dessen Basis mit der Zenerdiode (20).verbunden ist.
3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,* daß der Gegenkopplungspfad aus einer gesteuerten Stromquelle (29, 30, 31) besteht.
k. Spannungsregler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsglied ein Glattungskondensator (28) verwendet wird.
5. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-

809818/0326 ._ ₁₂ _■

durch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des Schalttransistors (14) und der Erregerwicklung (2) über eine Mit kopplung (32) mit der ersten Anzapfung (18) des Spannungsteilers (15, 16, 17) verbunden ist.
6. Spannungsregler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mitkopplungspfad aus einem Widerstand (32) besteht
7. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zu regelnde Spannung die
Ausgangsgleichspannung an den Erregerdioden (8) ist.

.8. Spannungsregler nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß die zu regelnde Spannung die Spannung an der Fahr zeugbatterie eines Kraftfahrzeuges ist.

09818/0325