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Regeleinrichtung für nebenschlusserregte elektrische Generatoren niederer Spannung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für nebenschlu ! 3erregte elektrische Generatoren niederer Spannung, insbesondere für Fahrzeuglichtmaschinen, bei der ein mit der Feldwicklung des Ge- nerators in Reihe liegender Leistungstransistor während des Regelvorgangs abwechslungsweise aus einem nur kurzzeitig andauernden Zustand hoher Stromleitung in einen ebenfalls nur kurzzeitigen Zustand ge- ringer Stromleitung durch einen Steuertransistor gebracht wird, der mit seiner Steuerstrecke an einem an die Generatorspannung angeschlossenen nichtlinearen Stromleiter liegt, der bei steigender Generator- spannung einen sich mehr als proportional ändernden Steuerstrom für den Steuertransistor zu liefern ver- mag.
Regeleinrichtungen dieser Art werden üblicherweise in unmittelbarer Nähe von einer als Antrieb für die Generatoren dienenden Brennkraftmaschine angeordnet und sind deshalb einer erheblichen Wärmeein- wirkung ausgesetzt. Die in solchen Regeleinrichtungen verwendeten Transistoren sind jedoch insofern wär- meempfindlich, als ihr innerer Widerstand mit zunehmender Temperatur ihrer die p-n-Übergänge enthal- tenden, meistens aus Germanium bestehenden Halbleiterteile sehr stark abnimmt. Wenn man daher keine zusätzlichen Kühleinrichtungen vorsehen will, ist man gezwungen, die Regeleinrichtungen in entspre- chender Entfernung von der Brennkraftmaschine oder ändern, eine erhebliche Wärmeentwicklung mit sich bringenden Geräten anzuordnen.
Dadurch kann man zwar die von aussen her auf die Temperatur der Re- geleinrichtung einwirkenden Einflüsse weitgehend beseitigen, die in der Temperaturempfindlichkeit der verwendeten Halbleiterelemente liegenden Ursachen sind damit jedoch nicht ausgeschaltet.
Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, für den mit der Feldwicklung des Generators in Reihe liegenden Leistungstransistor eine derartige Steuereinrichtung vorzusehen, dass der Transistor auch bei ho- . hen Betriebstemperaturen noch mit Sicherheit vollständig gesperrt werden kann, wenn die Spannung des
Generators über ihren Sollwert ansteigt.
Dies kann man erfindungsgemäss dadurch erreichen, dass der zur
Steuerung des Leistungstransistors vorgesehene Steuertransistor als Oszillator für Schwingungen von mehr als 1000 Hz geschaltet ist und auf ein aus mindestens einem Gleichrichter, einem Widerstand und einem
Kondensator bestehendes Gleichrichtungsglied arbeitet, das an die Steuerstrecke (Emitter-Basisstrecke) des Leistungstransistors angeschlossen ist und während der beim Regelvorgang jeweils nur kurzzeitig andauernden Schwingungszustände des Steuertransistors eine positive Sperrspannung für den Leistungstransistor liefert, falls dieser vom p-n-p-Typ ist bzw. eine negative Sperrspannung liefert, falls dieser vom n-p-n-Typ ist.
In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele der Erfindung zwei Regeleinrichtungen für eine elektrische Stromversorgungsanlage für Kraftfahrzeuge dargestellt.
Es zeigt : Fig. 1 das Schaltbild der ersten Regeleinrichtung, Fig. 2 eine Stromspannungskennlinie eines Schaltelements der Regeleinrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 ein Schaubild zur Erklärung der Wirkung weise der Regeleinrichtung nach Fig. 1 ; Fig. 4 zeigt das Schaltbild der zweiten Regeleinrichtung, Fig. 5 ein Schaubild für die mit dieser Regeleinrichtung erreichbaren Erregerströme, Fig. 6 die Stromspannungskennlinie eines in der Einrichtung nach Fig. 4 verwendeten Schaltelementes, und Fig. 7 zeigt die Arbeitskennlinie der Einrichtung nach Fig. 4.
Die elektrische Anlage enthält eine Lichtmaschine, die durch eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine angetrieben wird, sowie eine elektrische Sammlerbatterie 11, die über eine Minusleitung 10 und
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eine Plusleitung 12 mit den Klemmen a und b der Lichtmaschine verbunden ist. Die im Nebenschluss erregte Lichtmaschine hat eine in der Zeichnung mit F angedeutete Feldwicklung, die mit einem ihrer Wicklungsenden an die Minusleitung 10 angeschlossen ist und mit ihrem andern Wicklungsende an der Kollektor-Elektrode eines Leistungstransistors Tl liegt. Der Emitter des Leistungstransistors ist mit der Plusleitung 12 verbunden.
Zur Steuerung des Leistungstransistors Tl ist ein zweiter Transistor T2 vorgesehen, der mit seiner Emitter-Elektrode ebenfalls an der Plusleitung 12 liegt. Seine Basiselektrode ist über eine Zenerdiode Dl mit dem verstellbaren Abgriff eines Potentiometers P verbunden, das zwischen der Minusleitung 10 und der Plusleitung 12 angeordnet ist. Am verstellbaren Abgriff des Potentiometers kann die Hohe der von der Lichtmaschine gelieferten und mittels der Regeleinrichtung auf diesem Wert gehaltenen Sollspannung eingestellt werden. Die Zenerdiode Dl ist in Sperrichtung an die Basis des Steuertransistors T2 angeschlos- sen. Sie lässt in dieser Richtung nur einen geringen Strom durch, solange die am Potentiometer P abgegriffene Teilspannung Up unter dem in Fig. 2 angedeuteten Wert Uz bleibt. Wenn die an der Zenerdio-
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An den Kollektor des Steuertransistors T2 ist die Primärwicklung 18 eines Hochfrequenzübertragers angeschlossen, der auf seinem bei 16 angedeuteten Kern ausser der Primärwicklung noch eine Sekundärwicklung 17 und eine dritte, zur Rückkopplung dienende Wicklung 15 trägt. Diese ist mit einem ihrer Enden an den Emitter des Steuertransistors T2 angeschlossen. Ihr anderes Wicklungsende liegt über einen Kondensator 19 an der Basis des Steuertransistors T2, von dem ein Widerstand 20 zur Plusleitung 12 führt.
Die Sekundärwicklung 17 des Hochfrequenzübertragers gehört zum Steuerkreis des Leistungstransistors Tl.
Sie ist mit einem ihrer Wicklungsenden an die Plusleitung 12 angeschlossen. Ihr anderes Wicklungsende führt zu einem Gleichrichter D2, einer Kristalldiode, deren Anode mit der Basis des Leistungstransistors Tl und einem Belag eines zwischen die Basis und die Plusleitung 12 eingeschalteten elektrischen Kondensators 22 angeschlossen ist. An die Basis des Transistors Tl ist ausserdem ein Widerstand 23 angeschlossen, der zur Minusleitung 10 führt.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 1 arbeitet folgendermassen : Wenn die Lichtmaschine G aus dem Stillstand heraus in Umdrehung versetzt wird, so erregt sie sich infolge der in ihren Eisenteilen vorhandenen magnetischen Remanenz zunächst auf eine, wenn auch nur geringe Spannung, die zur Folge hat, dass über ihre Feldwicklung F und den in diesem Falle stromleitenden Leistungstransistor Tl ein kleiner Erregerstrom Je fliesst, der seinerseits die Erregung der Lichtmaschine stark erhöht, so dass sich die Lichtmaschine bei ausreichender Drehzahl rasch auf ihre Sollspannung erregt. Der Abgriff am Potentiometer P ist so eingestellt, dass die während des vorher beschriebenen Anlaufs der Lichtmaschine sperrende Zenerdiode D1 stromleitend wird, sobald die Lichtmaschinenklemmenspannung ihren Sollwert überschreitet.
Der dann von der Basis des Steuertransistors T2 über die Zenerdiode D1 fliessende Steuerstrom bringt den bisher gesperrten. Steuertransistor in ein Arbeitsgebiet, in dem er eine verhältnismässig hohe Verstärkung hat. Sobald der Steuertransistor in dieses Verstärkungsgebiet gelangt, bildet sich über die Primärwick-
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liegende elektromagnetische Schwingung aus, die über den Kern 16 auch auf die Sekundärwicklung 17 übertragen wird. Die in der Sekundärwicklung 17 induzierte hochfrequente Wechselspannung wird durch die Kristalldiode D2 gleichgerichtet, und erzeugt an dem Ladekondensator 22 eine Gleichspannung.
Die Kristalldiode D2 ist in der durch die Pfeilspitze angedeuteten Richtung stromdurchlässig und ergibt daher an der mit der Basis des Leistungstransistors Tl verbundenen Belegung des Kondensators 22 ein höheres Potential als an dessen mit der Plusleitung 12 verbundenen Belegung. Dies hat zur Folge, dass der bisher stromleitende Leistungstransistor auch dann vollkommen gesperrt wird, wenn er sich durch Einstrahlung oder Wärmeleitung von aussen her auf einer hohen Temperatur befindet.
Sobald der Transistor Tl gesperrt wird, bildet sich über dem zur Feldwicklung F parallelgeschalteten Gleichrichter D3 ein Ausgleichstrom aus und der durch die Feldwicklung F fliessende Erregerstrom nimmt demzufolge rasch ab. Mit dem Erregerstrom beginnt auch die an den Bürsten a und b der Lichtmaschine abgenommene Lichtmaschinenspannung zu sinken. Sobald sie um etwa 0, 05-0, 1 V unter ihren Sollwert von 12, 6 V abgefallen ist, gelangt die Zenerdiode D1 in einen Arbeitsbereich, in dem sie einen hohen Widerstand hat und nicht mehr in der Lage ist, einen Basisstrom Jb zu führen, der dazu ausreicht, den Transistor T2 in einem Gebiet hoher Verstärkung zu halten.
Die selbsterregte Schwingung des Steuertransistors T2 reisst dann. ab und der Ladekondensator 22 entlädt sich sehr rasch über den Widerstand 23, so dass der Leistungstransistor Tl wieder stromleitend wird. Der inzwischen stark abgefallene Erregerstrom Je steigt dann schnell wieder an und bewirkt, dass die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert wieder erreicht. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem beginnen.
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seiner erheblichen Verstärkung eine durch die dicht beieinander liegenden Linienzüge 50 angedeutete
Hochfrequenzschwingung erzeugen. Während der mit 12 bezeichneten Zeiten dagegen ist der Steuertran- sistor gesperrt.
Die Spannung Uc des Kondensators 22 sinkt daher in diesen Intervallen rasch soweit ab, dass der Leistungstransistor Tl wieder stromleitend werden und die Erregung der Lichtmaschine so stark er- höhen kann, dass die Lichtmaschinenspannung wieder steigt.
Der besondere Vorteil der beschriebenen Verwendung eines als Oszillator dienenden Steuertransistors liegt darin, dass die Regeleinrichtung auch bei verhältnismässig hohen Temperaturen arbeitet und weitge- hend temperaturunempfindlich ist. Die Temperatureinflüsse können noch stärker vermindert werden, wenn man einen aus Silizium hergestellten Steuertransistor verwendet.
An Stelle der In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Transistoren vom p-n-p-Typ kann man selbstverständlich auch Transistoren vom n-p-n-Typ vorsehen. In diesem Falle ist es jedoch er- forderlich, dass die am Ladekondensator22 durch Gleichrichtung der Hochfrequenzschwingungen erzeugte
Gleichspannung ebenfalls als Sperrspannung für den Leistungstransistor wirkt. Man kann dies dadurch er- zielen, dass man die Diode D2 mit ihrer Kathode an die Basis des Leistungstransistors Tl anschliesst, wenn man in dem Schaltbild nach der Zeichnung die Polarität des Generators und der Batterie jeweils ver- tauscht.
Die in Fig. 4 in ihrem Schaltbild dargestellte Regeleinrichtung ist zur Zusammenarbeit mit einer
Gleichstrom-Lichtmaschine G bestimmt, die von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkraft- maschine eines Kraftfahrzeugs angetrieben wird. Die Lichtmaschine vermag beim Sollwert ihrer Klemmenspannung von 12, 6 V einen in der Zeichnung mit 1L bezeichneten Laststrom von 20 A zu liefern und benötigt dazu einen Erregerstrom Je von etwa 3A, wenn sie mit einer Drehzahl n von 2 000 U/min angetrieben wird. Die für den Sollwert von 12, 6 V beim angegebenen Laststrom JL von 20 A erforderliche Erregung beträgt demgegenüber nur 0, 5 A, wenn die Antriebsdrehzahl der Lichtmaschine bei 8 000 U/min liegt.
Wie man aus den in Fig. 5 dargestellten Kennlinien weiterhin entnehmen kann, muss der Erregerstrom Je bei einer Antriebsdrehzahl von 2 000 U/min einen Wert von l, 8A und bei 8 000 U/min einen Wert von 0, 2 A haben, falls der Laststrom JL der Lichtmaschine einen sehr niedrigen Wert von etwa 2A hat. Damit der Leistungstransistor - wie im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel - periodisch arbeiten kann, ist er so gewählt, dass er bei einer Kollektorspannung von etwa 1 V einen Höchststrom von 4 A zu liefern vermag.
Ein Grossteil der in der Regeleinrichtung nach Fig. 4 verwendeten Schaltelemente stimmt mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 überein. Für diese Schaltelemente sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Ebenso wie dort ist der Steuertransistor T2 als Oszillator geschaltet. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel liegt jedoch der die Frequenz der selbsterregten Schwingung bestimmende Kondensator 19 parallel zu der mit dem Kollektor des Steuertransistors verbundenen Primärwicklung15 des Hochfrequenzübertragers, während dessen Rückkopplungswicklung 18 in die Verbindungsleitung zwischen der Basis des Steuertransistors Tl und dem Stromverzweigungspunkt A eingeschaltet ist, an den im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel eine in ihrer Durchlassrichtung betriebene Kristalldiode D4 angeschlossen ist.
Diese Kristalldiode enthält einen Halbleiterkörper aus hochgereinigtem Germanium, dem zur Erzielung einer negativen (n-) Leitfähigkeit hoch gereinigtes Antimon in einer solchen Menge beigefügt wurde, dass auf je 1015 -1016 Germaniumatorne 1 Antimonatom entfällt. Das Antimon wirkt als Verunreini gungselement und ergibt einen verhältnismässig niederohmigen Halbleiterkörper mit einem spezifischen Widerstand von etwa Q, 01 Ohm cm. An dem Germaniumkörper ist mit einer Indiumpille in an sich bekannter Weise ein als Kathode wirkender Anschluss befestigt, der mit dem Abgriff des Potentiometers P verbunden ist. Die Kristalldiode D4 arbeitet in gleicher Weise wie die. Zenerdiode Dl des ersten Ausführungsbeispiels als Sollwertgeber.
Sie bestimmt nämlich bei steigender Generatorspannung denjenigen Wert, bei dem der Steuertransistor T2 stromleitend wird und sich in der an Hand des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Weise über den Hochfrequenztransformator selbst erregt und dadurch den Leistungstransistor Tl in seinen Sperrzustand bringt.
Die Kristalldiode D4 hat eine in Fig. 6 im einzelnen näher dargestellte Stromspannungskennlinie, die bei einem mit Uk bezeichneten Wert der an ihren beiden Anschlüssen wirksamen Spannung U einen stark ausgeprägten Knick hat. Der Wert Uk liegt bei etwa 0, 25 V. Dieser Wert wird erreicht, wenn die Klemmenspannung der Lichtmaschine ihren Sollwert von 12, 6 V überschreitet. Solange sich die an der Kristalldiode D4 liegende Spannung unterhalb des Wertes Uk befindet, vermag die Kristalldiode nur einen
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sehr kleinen Stromvonwenigerals 0,02Azuführen, dernichtausreicht, umdenSteuertransistorT2in ein solches Arbeitsgebiet zu bringen, in dem er die für die Selbsterregungsbedingungen erforderliche Ver- stärkung hat.
Steigt jedoch die Lichtmaschinenspannung über ihren Sollwert auch nur geringfügig an, so bringt der dann sehr rasch anwachsende, durch die Kristalldiode D5 fliessende Strom den Steuertransistor Dl in sein Selbsterregungsgebiet.
Weiterhin abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel liegt an der Kathode der Kristalldiode D4 ein Widerstand 30, der mit seinem andern Anschlussende an den Kollektor des Leistungstransistors Tl angeschlossen ist. Ausserdem führt vom Anschlusspunkt A eine zweite Kristalldiode D5 zum Pluspol der bei 11 angedeuteten, mit der Lichtmaschine G zusammenarbeitenden Batterie. In der Verbindungsleitung 12 von der Plusklemme b der Lichtmaschine zum Pluspol der Batterie 11 ist ein Widerstand 32 zwischen dem Anschlusspunkt der Emitter-Elektrode des Steuertransistors T2 und dem Anschlusspunkt des Potentiometers P angeordnet.
Um bei stillstehender oder ungenügend erregter Lichtmaschine ein Entladung der Batterie in der zum Strompfeil JL entgegengesetzten Richtung zu vermeiden, ist ausserdem eine für einenHöchststrom von 25 A bemesseneGermaniumdiodeD6 zwischen dem Anschlusspunkt des Potentiometers und der Plusklemme der Batterie 11 vorgesehen.
Im einzelnen arbeitet die Regeleinrichtung nach Fig. 4 ganz ähnlich wie die Regeleinrichtung nach Fig. 1, solange der der Lichtmaschine entnommene Laststrom JL unterhalb seines zulässigen Höchstwertes von 20 A bleibt. Der zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors und dem Verbindungspunkt A liegende Widerstand 30 stellt dabei in besonders wirkungsvoller Weise sicher, dass der Leistungstransistor Tl aus einem Zustand, bei dem er einen hohen Erregerstrom Je über die Feldwicklung F zu führen vermag, sprunghaft in einen andern Betriebszustand übergeführt wird, sobald die in Fig. 3 angedeuteten impulsför- migen Hochfrequenzschwingungszüge einsetzen und den Leistungstransistor zu sperren versuchen.
Umgekehrt kippt der Leistungstransistor wieder sehr rasch in den'zur Steigerung der Lichtmaschinenerregung er- forderlichen stromleitenden Ausgangszustand zurück, sobald die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert zu unterschreiten versucht und der Steuertransistor Tl daher in der eingangs beschriebenen Weise gesperrt wird. Dieses sprunghafte Hin- und Herkippen des Leistungstransistors Tl bringt den Vorteil mit sich, dass sowohl für die Dauer tl der hochfrequenten Schwingungszüge 50 nach Fig. 3 als auch während der zwischen diesen Schwingungszügen liegenden Pausen t2 die am Leistungstransistor Tl entstehende Verlustlei- stung nur sehr niedrig ist.
Dies hat seinen Grund darin, dass im Sperrzustand des Leistungstransistors zwar eine hohe Spannung an seinem Kollektor liegt, der durch den Transistor fliessende Strom jedoch nur sehr klein ist, während umgekehrt im Betriebszustand hoher Stromleitung der durch den Transistor Tl fliessende Strom Jt zwar bis auf Jt = Jmax = 4 A ansteigt, die dabei wirksame Koilektorspannung jedoch einen.
Wert von etwa 1 bis 1. 5 V nicht überschreiten kann und die Kollektorverlustleitung demzufolge ebenfalls niedrig bleibt.
Das Hin-und Herkippen des Leistungstransistors Tl erfolgt mit einer im Vergleich zu den hochfrequenten Schwingungszügen 50 verhältnismässig langsamen Frequenz, denn die für einen Kippschwingungsvorgang benötigten Zeiten tl + t2 = tk betragen im Mittel etwa tk = 0, 05-0, 5 sec. Die erforderliche Änderung der Lichtmaschinenerregung kommt folgendermassen zustande : a) Bei sehr kleiner'Belastung der Lichtmaschine werden die zwischen den Schwingungszügen 50 liegenden Pausen t2 stark verkürzt. während die Zeitabschnitte tl der Schwingungszüge erheblich verkürzt werden.
Der mittlere, in der Feldwicklung F der Lichtmaschine wirksame Erregerstrom hat dann den Wert
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ximalstrom des Leistungstransistors von Jmax = 4A ein mittlerer ErregerstromJm von 0, 2A, der bei Leerlauf und bei einer Antriebsdrehzahl von 8 000 U/min nach Fig. 5 die geforderte Sollspannung von 12, 6 V ergibt. b) Bei voller Belastung der Lichtmaschine mit 20 A muss der mittlere Erregerstrom bei einer Antriebsdrehzahl von 2500 U/min 3 A betragen. Damit dieser Mittelwert zustandekommt, muss der Leistungstran- sistor über 1/4 der Kippschwingungszeit tk = tl + t2 gesperrt und während des übrigenTeiles jeder Kippschwingung voll stromleitend sein.
In diesem Fall darf daher die Dauer t1 der hochfrequenten Schwin- gungszüge 50 nicht grösser als 0, 05 sec sein, wenn tk unverändert bei 0, 2 sec bleibt.
Der oben beschriebene, nur vun der Hohe der Klemmenspannung der Lichtmaschine abhängige Regel- vorgang wird durch einen andern Regelvorgang abgelöst. sobald der der Lichtmaschine entnommene Laststrom JL seinen Höchstwert von 20 A erreicht. Der Leitwert des Widerstandes 32 in der Plusleitung 12 ist nämlich so gewählt, dass dann zwischen dem Emitter des Steuertransistors T2 und dem Pluspol der Batte-
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