DE3144043A1

DE3144043A1 - "wechselstromgenerator fuer kraftfahrzeuge mit schutzeinrichtung gegen durch abtrennung der batterie verursachte uebergangserscheinungen"

Info

Publication number: DE3144043A1
Application number: DE19813144043
Authority: DE
Inventors: Carlo 20082 Binasco Milano Bozotti; Marco 57100 Livorno Morelli; Bruno 20052 Monza Milano Murari; Sandro 20099 Sesto San Giovanni Milano Storti
Original assignee: ATES Componenti Elettronici SpA; SGS ATES Componenti Elettronici SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1980-11-07
Filing date: 1981-11-05
Publication date: 1982-06-24
Also published as: US4455585A; IT1209369B; GB2091945B; IT8025825A0; GB2091945A; JPS57110038A; FR2494056A1; FR2494056B1; SE459773B; SE8106564L

Description

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Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit Schutzeinrichtung gegen durch Abtrennung der Batterie verursachte Übergangserscheinungen

Die Erfindung betrifft Stromgeneratoren für Kraftfahrzeuge und insbesondere Wechselstromgeneratoren mit elektronischem Regler.

Es ist bekannt, daß der Spannungsregler eines Wechselstromgenerators die Ausgangsspannung des Generators abtastet und auf den Erregerstrom des Wechselstromgenerators in der Weise einwirkt, daß die Ausgangsspannung innerhalb vorbestimmter Grenzen bleibt. Trotzdem können sich Überspannungszustände einstellen,.bei denen der Regler nicht nur wirkungslos wird, sondern auch beschädigt werden kann, beispielsweise im Fall eines unbeabsichtigten Abtrennens oder eines Bruchs des Kabels, das den Wechselstromgenerator mit der Last verbindet, die aus der Batterie des Fahrzeugs und möglichen elektrischen oder elektronischen Einrichtungen besteht. Um Schaden zu vermeiden, die insbesondere möglich sind, wenn der Regler aus einer integrierten Schaltung besteht, müssen mit dem Ausgang des Wechselstromgenerators geeignete Begrenzungseinrichtungen verbunden werden und/oder Herstellungstechniken für integrierte Schaltungen für hohe Spannungen gewählt werden.

Ein absolut gesehen weniger schwerwiegender, jedoch, da auch die von dem Generator versorgten Einrichtungen und Schaltungen betroffen sind, gefährlicherer Zustand kann sich ergeben, wenn die Batterieverbindung unbeabsichtigt unterbrochen wird, während die anderen Lasten mit dem Wechselstromgenerator verbunden bleiben. Wenn nämlich die Batterie kurz vor der Unterbrechung in der Ladephase war, so daß der von der Batterie aufgenommene Strom erheblich war, kann die überspannung so groß sein, daß sie einen Verbraucher beschädigt. Um auch dieses Risiko zu

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vermeiden, falls nicht schon am Ausgang des Wechselstromgenerators ein Leistungsbegrenzer vorgesehen ist, ist es erforderlich, daß jeder der Verbraucher einzeln geschützt wird. Insbesondere dann, wenn diese Verbraucher als integrierte Schaltungen ausgebildet sind, müssen häufig noch Strukturen verwendet werden, die unempfindlich gegenüber Spannungen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselstromgenerator zu schaffen, der es ermöglicht, daß sowohl für den Regler als auch für andere, vom Generator versorgte, elektronische Einrichtungen integrierte Schaltungen verwendet werden können, die mit den üblichen Herstellungsverfahren für Strukturen für niedrige Spannung erzeugt worden sind.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Generator durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltung eines bekannten Generators und

Fig. 2 bis 4 einen Teil der Schaltung des in Fig. 1 gezeigten Generators mit drej Abwandlungen gemäß dreier Ausführungsformen der Erfindung.

Wie Fig. 1 zeigt, sind drei Wicklungen L . des Stators eine:; Wechsel stronujeiiei ·ι1 oi :; bzw. einer Wechselstromlichtmaschine in üblic ier Weise mit sechs Gleichrichterdioden D,_r so verbunden, daß zwei Ausqangsanschlüsse 1 und 3 des Generators gebildet werden, zwischen denen sich eine Spannung gleichbleibender Richtung ausbildet. Im dargestellten Beispiel sind der Anschluß 3 der positive Pol und der Anschluß 1 der negative Pol des Generators. Mit diesen Ausgangsanschlüssen ist

die Batterie 5 des Kraftfahrzeugs verbunden, die sowohl die Erregerquelle für den Wechselstromgenerator als auch eine Last für den im Betrieb belindlichen Generator bildet, wenn die Batterie durch die vom Generator erzeugte Energie geladen wird. Die Vorrichtungen, die die elektrische Energie des Generators benutzen, sind insgesamt durch eine Last R_ dargestellt. Eine

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Erregerwicklung L_n, des Rotors des Wechselstromgenerators ist •einerseits mit dem positiven Anschluß 3 des Generators und andererseits mit dem Kollektor eines NPN-Transistors T verbunden, dessen Emitter mit dem negativen Anschluß 1 und dessen Basis mit dem Ausgang OUT einer Regelschaltung 7 verbunden sind. Die Regelschaltung wird vom Ausgang des Generators versorgt und ist mit ihrem Eingang IN mit dem Zwischenabgriff eines Spannungsteilers verbunden, der aus zwei Widerständen R₁ und R.j besteht, die v.wir.chcn die Anschlüsse 1 und 3 geschaltet sind. Zu der Wicklung L ist eine Diode D parallelgeschaltet, die in Sperrichtung vorgespannt ist und die als Rückstromdiode bezeichnet wird.

Der Regler 7 hat beispielsweise die in dem Buch "Electricity in cars" von R.H. Bacon, Philips Technical Library, 1967, Seiten 49-51 beschriebene Konstruktion und funktioniert in der Weise, daß er der Basis des Transistors T einen Strom in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Generators, die durch den Spannungsteiler R., R„ abgenommen wird, liefert. Solange die Ausgangsspannung nicht einen vorbestimmten Wert überschreitet, hält der Basisstrom den Transistor T im leitenden Zustand, so daß durch die Erregerwicklung L_ ein Strom I„ fließt. Sobald diese Spannung den vorbestimmten Wert überschreitet, wird der Ausgangsstrom des Reglers Null, so daß der Transistor T sperrt, der Erreg^rstrom I gegen Null strebt und die Ausgangsspannung sich verringert. Der Regelzyklus wiederholt sich in der Weise, daß die Ausgangsspannung praktisch konstant gehalten wird. Während des Sperrzustandes des Transistors T baut sich über den Enden der Erregerwicklung L_p

durch Selbstinduktion eine erhöhte Spannung auf, die den Transistor beschädigen kann. Um diese Gefahr zu vermeiden, ist die Diode D vorgesehen, die eine rasche Abführung der mit der Wicklung L_ verbundenen Energie gestattet, da die Diode während der Überspannung in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

Im Fall einer plötzlichen Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Wechselstromgenerator und der Last, die durch die Batterie und die verschiedenen Verbraucher IL. gebildet wird, oder dann,

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wenn sich eine Klemme der Batterie löst, während diese geladen wird, wird zwischen den Ausgangsanschlüssen 1 und 3 des Wechselstromgenerators ein Übergangszustand hoher Spannung ausgelöst. Diese Spannung kann Werte erreichen, die zehnmal größer sind als die Spannung der Batterie, wobei diese Übergangserscheinungen regelmäßig in einer Zeitdauer zwischen 100 und 300 msec ablaufen.

Dieser Übergangszustand beruht vor allem- auf dem Phänomen der Selbstinduktion in der Krregerwicklung L„. Während des Sperr-

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zustandes des Transistors T wird nämlich die Energie des mit der Wicklung L₁-, verbundenen magnetischen Feldes im wesentlichen durch die Diode D abgeführt, und zwar mit einer Zeitkonstanten, die durch das Verhältnis zwischen der Induktivität L und dem Widerstand R der Wicklung L bestimmt ist. Der Strom, der in dem durch Lp und D gebildeten Kreis fließt, erzeugt eine.-in den Wicklungen L.-. des Stators induzierte elektromotorische Kraft und doshalb eine Spannung zwischen den Auygan<j;;nnnchlüssen 1 und 3, welche mit. einer Zei I kon;; I .inten abfüllt·, die im Fall einer Unterbrechung der Leitung des Wechsclstromgenerators nur durch den Widerstand der Erregerwicklung bzw. im Fall einer Abschaltung der Batterie im wesentlichen durch die Eingangswiderstände der noch mit dem Wechselstromgenerator verbundenen Vorrichtungen bestimmt ist.

Um zu verhindern, daß diese Überspannung den Regler und die

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mit dem Wechselstromgenerator verbundenen Vorrichtungen beschä- . digt, insbesondere, wenn diese mit iiitoyriorten Schaltungen aufgebaut sind, ist beim Stand der Technik der Einsatz einer Zenerdiode 9 vorgesehen, deren Durchbruchspannung geringfügig größer als die Spannung der Batterie 5 ist, welche zwischen die Ausgangsanschlüsse des Wechselstromgenerators geschaltet ist. Da dieses Bauteil in der Lage sein muß, eine beträchtliche Energie zu vernichten, muß es verhältnisnäßiu große Abmessungen haben, so daß die Kosten nicht unerheblich sind. Bei einer anderen bekannten Lösung können die Abmessungen und daher auch die Kosten der Zenerdiode 9 dadurch verringert werden, daß der Regler und die anderen Vorrichtungen aus integrierten Schaltungen bestehen, die mit Herstellungsverfahren für Strukturen hoher Spannungen erzeugt sind.. Eine derartige Lösung j st jedoch umso nachteiliger, je zahlreicher die von dem Generator versorgten, elektronischen Vorrichtungen aus integrierten Schaltungen sind, weil integrierte Vorrichtungen, die widerstandsfähig gegen hohe Spannungen sind, verhältnismäßig teuer sind.

Die Erfindung beruht auf der Kenntnis einer Maßnahme, die beispielsweise bei schnellen Relais anwendbar ist und die darin besteht, in Reihe mit einer üblichen Rückstromdiode, die parallel zur Wicklung des Relais geschaltet ist, eine Zenerdiode mit entgegengesetzter Polarität zu schalten. Die Zeit zur Vernichtung der Energie des magnetischen Feldes, das mit der Wicklung verbunden ist, wird dann in einem Maß verringert, das von der Durchbruchspannung der Zenerdiode abhängt.

Gemäß der Erfindung wird diese Maßnahme in der Erregerschaltung eines Wechselstromgenerators verwendet, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Aufgrund der Zenerdiode D , die in Reihe mit der Rückstromdiode D geschaltet ist, neigt der Strom I„, der während des durch die unvorhergesehene Belastungsverringerung verur-

sachten Übergangszustandes durch die Erregerwicklung L„ fließt, dazu in einer Zeit abzunehmen, die kleiner ist als diejenige, die erforderlich wäre, wenn nur die Diode D vorgesehen wäre. Da die Ausgangsspannung E des Wechselstromcenerators bei Leerlauf nach der Beziehung E = Knl_ proportional zum Strom I„ ist, wobei K eine Maschinenkonstante und η die Drehzahl des Rotors des Wechselstromgenerators ist, hat der Übergangszustand am Ausgang eine verringerte Dauer und daher einen Energieinhalt, der ohne Schaden auch vr>n einer Zenerdiode 9 geringer Leistung, elio parallel :ium Ausijan·· geschalt et. ist, vernichtet werden kann. Außerdem können der RegJ er 7 und die anderen möglichen, elektronischen Vorrichtungen, die von dem Generator versorgt werden, mit den üblichen Verfahren für Strukturen für geringe Spannungen und daher mit bescheidenen Kosten verwirklicht werden.

Bei einer praktischen Verwirklichung der Erfindung, die den Einsatz einer Zenerdiode D mit einer Durchbruchspannung von etwa der doppelten Batteriespannung vorsieht, bringt die

Zenerdiode D während des normalen Betriebs des Generators ζ .

keine negativen Effekte. Wenn jedoch eine Zenerdiode mit erhöhter Durchbruchspannung verwendet werden muß, besteht die Möglichkeit, daß die in der Erregerschaltung während der Regelintervalle, in denen der Transistor T gesperrt ist, vernichtete Energie nicht vernachläßigt werden kann. In einem solchen Fall sieht eine in Fig. 3 dargestellte Variante der Erfindung parallel zur Zenerdiode D einen elektronischen Schalter vor, der von einem zusätzlichen Ausgang US des Reglers 7 so gesteuert wird, daß er während des normalen Betriebs des Generators geschlossen ist, sich jedoch öffnet, wenn sich am Ausgang des Wechselstromgenerators eine Überspannung ergibt.

Die praktische Verwirklichumj einer derartigen Verbesserung gehört zum Wissen eines Durchschnittsfachmannes und wird daher nicht näher crLüulert.

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Bei einer weiteren Variante der Erfindung, die in Fig. 4 dargestellt ist, sind die beiden Dioden D und D durch einen PNP-Transistor IL ersetzt, dessen Emitter mit dem Kollektor des Transistors T und dessen Kollektor mit dem Anschluß 3 des WechselstroPHjanerators verbunden sind. Die Basi.fi dos Transistors T ist mit einem zusätzlichen Ausgang US des Reglers 7 verbunden. Wenn der Transistor T während des normalen Betriebs im Sperrzustand ist, liefert dieser zusätzliche Ausgang an die Basis eine Vorspannung, die den Transistor T„ im leitenden Zustand hält, und liefert, wenn der Transistor T während einer Überspannung am Ausgang gesperrt ist, eine Spannung, die zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors T eine vorbestimmte Spannung aufprägt.

Auch die praktische Verwirklichung dieser Variante der Erfin-. dung liegt im Rahmen des Könnens eines Durchschnittsfachmanns und wird daher nicht weiter beschrieben und dargestellt.

Leerseite

Claims

SGS-ATES Componenti Elettronicl S.p.A. 20041 Agrate Brianza (Mailand), Italien Beanspruchte Priorität: 7. November 1980 Italien Nr. 25825 A/80 Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit Schutzeinrichtung gegen durch Abtrennung der Batterie verursachte Übergangserscheinungen Patentansprüche

1. ) Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für Kraft-

rzeuge, mit einem Wechselstromgenerator, dessen Ankerwicklungen mit einer Gleichrichterschaltung verbunden sind, deren beide Ausgangsanschlüsse den Ausgang des Generators bilden, dessen Erregerwicklung in Reihenschaltung mit einem gesteuerten, elektronischen Schalter mit den Ausgangsanschlüssen verbunden ist, mit einem elektronischen Regler, der mit den Ausgangsanschlüssen und mit einem Steueranschluß des elektronischen Schalters so verbunden ist, daß der Schalter geöffnet wird, wenn die Ausgangsspannung des Generators einen vorbestimmten Wert überschreitet, und mit einer Schutzreinrichtung gegen durch Abtrennung der Batterie verursachte Übergangserscheinungen, dadurch g e -

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kennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung mit der Erregerwicklung (L₇₇₁) verbunden ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung eine parallel zur Erregerwicklung (L_x,) geschaltete Halbleiterschalteinrichtung aufweist, die einen ersten tibergang, der in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn der elektronische Schalter geschlossen ist, und einen zweiten Übergang, der entgegengesetzt zum ersten Übergang vorgespannt ist, aufweist.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Übergang die Übergänge von zwei in Reihe geschalteten Dioden sind, von denen diejenige, die den zweiten Übergang bildet, eine Zenerdiode (D ) ist.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (7) einen zusätzlichen Ausgangsanschluß (US) aufweist, an dem ein Steuersignal erscheint, wenn die Ausgangsspannung des Generators einen vorbestimmten Alarmwert überschreitet, der größer ist als der vorbestimmte Wert für die erwähnte Regelung, und daß die Schalteinrichtung parallel zur Zenerdiode (D ) einen normalerweise geschlossenen, elektronischen Schalter aufweist, dessen Steueranschluß mit dem zusätzlichen AusgangsanschLuß (US) des Reglers (7) verbunden ist.

5. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (7) einen zusätzlichen Ausgangsanschluß (US) aufweist, an dem ein Steuersignal erscheint, wenn die Ausgangsspannung des Generators einen vorbestimmten Alarmwert überschreitet, der größer ist als der vorbestimmte Wert für die erwähnte Regelung, und daß der erste und der zweite Übergang die Übergänge eines bipolaren Transistors (T„) sind, dessen Basis mit dem zusatz]ichen Ausgangsanschluß (US) verbunden ist.