DE1763349A1

DE1763349A1 - Spannungsregler

Info

Publication number: DE1763349A1
Application number: DE19681763349
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr-Ing Bleher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1968-05-10
Filing date: 1968-05-10
Publication date: 1971-10-28
Also published as: JPS5322243B1; NL6906026A; FR2008191A1; DE1763349C3; DE1763349B2; US3602796A

Description

30.4.1968 Chr/Κη

Anlage zur
Patent-Anmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart W, Breitscheidstraße 4

Spannungsregler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsregler zum Regeln der Ausgangs spannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere einer Drehstromlichtmaschine, mit einer den Erregerstrom steuernden, mindestens einen Halbleiterschalter enthaltenden Leistungsstufe, und betrifft eine Ausbildung eines der Leistungsstufe vorgeschalteten Regelverstärkers, die sich besonders gut für die sogenannte integrierte .Schaltungsbauweise eignet.

Die bekannten Anordnungen von Spannungsreglern halten die Ausgangsspannung des Generators auf einem vorgegebenen mittleren Wert. Kleine Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Spannungswerten ergeben sich laufend durch das Spiel des Fiedlers, der beim Ansteigen der zu regelnden Spannung über einen zulässigen nVert die Stromzufuhr zur Erregerwicklung unterbricht und sie beim Absinken der Spannung wieder herstellt. Verwendet man Halbleiter in einer Regleranordnung, so ist es erwünscht, daß diese Halbleiter möglichst im

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Schalterbetrieb arbeiten, also entweder leitend oder nichtleitend sind. . Dann ist nämlich mit den geringsten Leistungsverlusten in der Regleranordnung zu rechnen, und man kann kleinere Halbleiterelemente und kleinere Kühleinrichtungen vorsehen. Der Regler soll daher möglichst empfindlich sein, also bereits auf möglichst kleine Abweichungen der zu regelnden Spannungen vom Sollwert nach oben oder unten mit Aus- oder Einschalten der Stromzufuhr zur Erregerwicklung antworten.

Aus diesem Grund sieht man zweckmäßigerweise als Spannungsfühler eine Anordnung vor, die eine von der zu regelnden Spannung nichtlinear abhängige α Steuergröße abgibt, dergestalt, daß im Arbeitsbereich der Regleranordnung die Änderung der Steuergröße ihre größte Änderungsgeschwindigkeit, bezogen auf die Änderung der zu regelnden Spannung, aufweist.

Den Gedanken, als Spannungsfühler eine nichtlineare Spannungsteileranordnung vorzusehen, zeigt bereits die DAS 1 095 924· Die aus dieser Auslegeschrift bekannte Regeleinrichtung ist jedoch wegen de,r erforderlichen zusätzlichen Spulen im Generator sehr aufwendig.

Eine einfache und betriebssichere Bauform zeigt die DAS 1 053 628; jedoch ist die dort gezeigte Ausführungsform weniger für die integrierte Schaltungsbauweise geeignet.

^k Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der herkömmlichen Spannungsregler durch eine besondere Ausbildung des Spannungsfühlers und des Verstärkers zu verringern und gleichzeitig die Eigenschaften der Technik integrierter Schaltungen vorteilhaft auszunutzen.

Die Abweichungen der zu regelnden Generatorausgangsspannung von einem Sollwert können dadurch besonders klein gehalten werden, daß bei einem Spannungsregler gemäß der Erfindung an die zu regelnde Ausgangsspannung ein Paar von Spannungsteilern angeschlossen ist, deren Abgriffe mit den Eingängen eines die Leistungsstufe beeinflussenden Differenzverstärkers verbunden sind. Besonders kleine Spannungaabweichung&n zeigt dieser erfindungsgemäße Spannungs-

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rö/vler d;jrin, wenn mindestens ein Spannungsteiler ein von der zu regelnden AuiVYnri^iuipannung und ein von der Umgebungstemperatur abhängiges Teilervcr-lwil tn.in aufweist. In einer besonders zweckmäßigen Ausbildung des Spannungsreglers nach der Krfindung sind Elemente des Spannungsteilerpaare in Form Giner Rrüokenschaltung angeordnet, deren gegenüberliegende Zweige je einen von der anliegenden Teilspannung und von der Umgebungstemperatur abhängigen Widerstandsteil aufweisen. ·

Uemäß der Erfindung wird weiterhin die Eingangsstufe des Verstärkers als an das Paar von Spannungsteilern angeschlossener Differenzverstärker ausgebildet. Die an sich bekannten günstigen Eigenschaften eines Differenzverstärkers gehen teilweise wieder verloren, wenn seine beiden Ausgänge nicht symmetrisch be-'last.pt . sind-. Um die Vorteile des Differenzverstärkers auszunützen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwischen den Ausgängen des Diffe'rerizverst-ärkers' und dem den l-irregerstrom steuernden Halbleiterschalter ein Verstärker angeordnet, der zwei symmetrische, einzeln mit den beiden Ausgängen des ' Pifferon-zverstärkers gekoppelte Eingänge aufweist.

Die ' Ind'uk tivität der Erregerwicklung bildet zusammen mit den Wicklungs- und Schal·tkapäzi taten ein schwingungsfähiges Gebilde. Im Verlauf der Schaltspiele kann σα im Regelkreis zu wilden Schwingungen kommen, deren Amplituden stark anwachsen und die Halbleiterelemente des Reglers zerstören könnten. Einp bpf.onriprs gute Unterdrückung der unerwünschten wilden Schwingungen wird erzielt, wenn der Vorverstärker nach einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung mindestens einen Transistor mit niederer Transitfrequenz enthält.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Spannungsreglers gemäß der Erfindung, Fi,g 2 einen Wirkschaltplan des Spannungsreglers,

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Pig. 3 ein Schaubild des Verlaufs der Potentiale an Abgriffen des Spannungsteilers in Abhängigkeit vom Wert der zu regelnden Spannung, und

' Fig. 4 Einzelheiten zu Fig. 2, nämlich Beispiele für besondere Ausgestaltungen des Spannungsteilerpaar^s.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 ist an einen Drehstromgenerator 11 ein Gleichrichtersatz 12 angeschlossen, über den eine Batterie 13 aufgeladen wird. Mit dem Gleichrichtersatz 12 ist auch ein Spannungsteilerpaar 15, 16 verbunden. Von den Abgriffen dieses Spannungsteilerpaars führen Leitungen zu einem W Differenzverstärker I4, dessen Auegänge symmetrisch mit den Eingängen eines Vorverstärkers 17 belastet sind. Ein Schaltverstärker 18 wirkt, gesteuert durch den Vorverstärker 17» auf die Erregerwicklung des Generators 11; gleichzeitig sorgt eine Rückkopplung 10 auf den zweitenSEHnjn£?teiler zweig 15 für ein gutes Kippverhalten der Spannungsregleranordnung. Differenzverstärker I4» Vorverstärker 17 und Schaltverstärker 18 bilden zusammen einen Verstärker I9 <

Fig. 2 zeigt die im Stern geschalteten drei Ständerwicklungen 21 bis 23 des Drehstromgenerators 11, die über die zur Gleichrichtereinheit 12 gehörenden Gleichrichter 3I bis 33 mit einer gemeinsamen, an Masse angeschlossenen Minusleitung 20 und über drei Gleichrichter 34 bis 36 mit einer ersten Plusleitung 2Θ in Verbindung stehen. Die Gleichrichter 31 bis 36 sind also als Dreiphasen- ^ Brückengleichrichter 12 geschaltet. Zwischen den Leitungen 28 und 20 liegt die Batterie 13·

Direkt an die Ständerwicklungen 21 bis 23 angeschlossen sind drei zusätzliche Gleichrichter 37 bis 39» die jeweils mit ihrer Kathode zu einer gemeinsamen zweiten Plusleitung 29 führen. Zwischen den Leitungen 29 und 28 liegt eine Ladekontrollampe 26 in Serie mit einem Zündschalter 27.

Eine Erregerwicklung 24, zu der eine Löschdiode 25 parallelgeschaltet ist, liegt mit dem einen Ende an der zweiten Plusleitung 29 und mit dem anderen Ende an einem Verbindungspunkt 89 des Verstärkers I9. An den Verbindungepunkt 89 angeschlossen ist der Kollektor eines als Halbleiterschalter

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dienenden npn-Transistors 4I, dessen Emitter an die Minusleitung 20 führt, und der Kollektor eines npn-Treibertransistors 42, dessen Emitter einerseits an die Basis des Transistors '4-1 , andererseits über einen Widerstand ^:tJA ebenfalls an die Minusleitung 20 führt. Die Basis des Treibertransistors 42 liegt über einen Widerstand 78 an der Minusleitung 20 und über einen Widerstand am Kollektor eines pnp-Transistors 46 des Vorverstärkers. Zwischen dem Emitter des pnp-Transistors 46 und dem Emitter eines npn-Transistors 47 des Vorverstärkers liegt ein Widerstand 77» der Kollektor des npn-Transistors 47 ist an die zweite Plusleitung 29 angeschlossen. Die Basis des pnp-Transistors führt einerseits über einen Widerstand 74 an die zweite Plusleitung 29 und andererseits an den Kollektor eines ersten npn-Transistors 44 des Differenzverstärkers, die Basis des npn-Transistors 47 einerseits über einen Widerstand 73 «-η die zweite Plusleitung 29 und andererseits an den Kollektor eines zweiten npn-Transistors 43 des Differenzverstärkers. Die beiden Emitter der Differenzverstärker-Transistoren 43 und 44 sind miteinander verbunden und liegen am Kollektor eines als Konstantstromquelle dienenden npn-Transistors 45» dessen Emitter über einen Widerstand 75 zur Minusleitung 20 führt.

An der Minusleitung 20 liegt - über den Anschlußpunkt 84 des ersten Spannungsteilerzwei;.;fi 16 - die Anode einer Referenzdiode-6-3, deren Kathode über einen Anschlußpunkt 83 mit der Basis des Transistors 45der Konstantstromquelle und über einen Widerstand 62 mit einem Anschlußpunkt 82 und mit der Basis des Transistors 44 des Differenzverstürkers verbunden ist. Zwischen dem AnschluB-punkt 82 und einem mit der zweiten Plusleitung 29 verbundenen Anschlußpunkt 81 liegt ein Widerstand 61. Ein Anschlußpunkt 85 des zweiten Spannungsteilerzweigs 15 ist ebenfalls an die zweite Plusleitung 29 angeschlossen. Am Anschlußpunkt 85 liegt das eine Ende eines üiebwiderstanda 51, dessen anderes Ende sowohl mit einem an der Masseleitung 20 liegenden Kondensator 55 als auch mit einem Widerstand 52 verbunden ist, dessen anderes Ende seinerseits an die Kathode einer Referenzdiode 53 angeschlossen ist. Die Anode der Referenzdiode 53 ist über einen Anschlußpunkt 86 mit. der Basis des ersten Transistors 43 des Differenzveratärkers und mit dem einen Ende eines Widerstands 54 verbunden. Das andere Ende des Widerstands 54 führt an einen Anschluüpunkt Ü7 und weiter über einen Widerstand 56 an einen mit der Masse- ^ 20 vtfrbundenen Anschlußpunkt 88.

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Zwischen dem Anschlußpunkt 87 des ersten Spannungsteilers und dem Anschlußpuntk 89 des Verstärkers liegt ein Rückkopplungswiderstand 72.

In Fig. 3 ist schematisch der Verlauf der Potentiale an den Anschlußpunkten 86 beziehungsweise 82 des Spannungsteilerpaars 15» 16 dargestellt. Die Kurve IL gibt angenähert den Potentialverlauf am Anschlußpunkt 82 in Abhängigkeit vom Wert des am Anschlußpunkt 81 zur Verfugung stehenden Potentials U_T an; die Kurve U„ gibt entsprechend angenähert den Potentialverlauf am Anschlußpunkt 86 in Abhängigkeit vom Potential U₇. am Punkt 85 an. Die Kurve U, ist die Darstellung der Differenz U₀ -U-. Steigt die Spannung U_T vom Wert Null

ά. I Jj

aus an, dann steigt die Spannung U^ am Anschlußpunkt 82 des Spannungsteilers 16 zunächst im gleichen Maß an, was durch das Kurvenstück 91 dargestellt ist. Dabei ist von Strömen abgesehen, die bei den Anschlußpunkten 82 und 83 aus dem Spannungsteiler 16 fließen.· Die Spannung U. steigt solange, bis der Durchbruchsspannungswert U,,. der Referenzdiode 63 erreicht ist. Steigt U_T weiter an, dann bleibt U., wie das Kurvenstück 92 zeigt, im wesentlichen konstant. Anders verhält sich die am Anschlußpunkt 86 des Spannungsteilers 16 abgegriffene Spannung U_?. Bei niederen Werten von U_T ist die Referenzdiode 53 nicht leitend, so daß U„ im wesentlichen den Wert Null behält. Die Spannung U„ verläuft dann so, wie es das Kurvenstück 93 darstellt. Erst wenn U₁. den

c ' Jj

Durchbruchsspannungswert U„„ der Referenzdiode 53 überschreitet, steigt die Spannung U₉ entsprechend dem Kurvenstück 94 im wesentlichen mit dem Proportional L tätsfaktor Eins mit der Spannung U_T an. Die Kurvenstücke 92 und 94

Jj

Schließern den Winkel & ein.

Um die Wirkungsweise des Spannungsreglers nach Fig. 2 zu erklären, sei zunächst die Spannungserzeugung mit Hilfe des Generators 11 geschildert:

Der Läufer des Generators 11 ist mit einer in Fig. 2 nicht dargestellten Verbrermungsmaschine gekuppelt. Beim Anlassen dieser Maschine wird auch der Zündschalter 2'J geschlossen. Während des Anlassens und bei niederen Drehzahlen erzeugen die Ständerwicklungen 21 bis 23 zunächst noch keine nennenswerte Spannungen, so daß vom Pluspol der Batterie 15 über den Zündschalter 27 und dit> Ladekontrollampe 26 - die dann aufleuchtet - ein Strom durch die

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Erregerwicklung 24 und den als Halbleiterschalter dienenden Transistor 41 der leitend ist - zurück zum Minuspol 20 der Batterie fließt. Der Erregerstrom erregt nun die Ständerwicklungen 21 bis 23, und die von ihnen erzeugte Wechselspannung wird in der Gleichrichtereinheit 12 gleichgerichtet, so daß die an den Plusleitungen 28 und 29 feststellbaren Potentiale ansteigen. "Der Generator 11 versorgt sich bei ausreichender Läuferdrehzahl über die Gleichrichter Yf 'bis 59 selbst mit Erregerstrom, die Ladekontrollampe erlischt. IUe Rattnrie 13 wird durch den über die Gleichrichter JT bis 36 fließenden Ladostrom aufgeladen.

Durch den Selb.sterre^ungsVorgang steigt die erzeugte Ladespannung weiter an. Reim Erreichen eines vorgegebenen zulässigen Höchstwerts wird über den Verstärker 19 der Halbleiterschalter 41» 42 ausgeschaltet. Der Erregerstrom kann nicht mehr zum Minuspol 20 des Generators fließen und nimmt daher seinen Weg über die Löschdiode 25. Hauptsächlich wegen der ohmschen Widerstände der Erregerwicklung ?4 geht der im Stromkreis durch die Wicklung 24 und die Diode 25 fließende Krregert'trom gleichförmig zurück. In den Ständerwicklungen 21 'bis ?^ wird eine kleinere Spannung erzeugt, und die Ladespannung nimmt ab. Beim erreichen eines vorgegebenen Mindestwerts wird der Transistor 4I im Verstärker 1¹I wieder leitend, es fliegt nufs neue ein Strom durch die Erregerwicklung ?/\, die mit den Stünderwicklungen 21 bis 25 erzeugte Ladespannung steigt wieder an. Dieses Spiel wiederholt sich fortlaufend, und zwar etwa fünfzig- bis zweihundertmal in der Sekunde.

Der eigentliche Spannungsregler nach Fig. 2, bestehend aus dem Verstärker 19 und dem opannungsteilerpaar 15» 16 arbeitet wie folgt:

Das Spannun.Tsteilerpaar 15,16 enthält als nichtlineare Glieder die Referenzdioden ■')3 und 63. Die Spannung IL· zwischen den Anschlußpunkten 82 und 84 des SpannunfTsteilerzweigs 16 ist also - wie Fig. 3 zeigt - eine nichtlineare Funktion der zwischen den Anschlußpunkten 81 und 84 anliegenden zu regelnden

Spannung U_T, und die Spannung U₀ zwischen den Anschlußpunkten 86 und 88 des L <-

üpannungsteilerzweigs 15 eine nichtlineare Funktion der selben Spannung TL ,

die zwischen den Anschlußpunkton 85 und 88 anliegt.

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Zunächst sei die zu regelnde Spannung U₁. klein. Die Referenzdiode 53 im

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Spannun_tisteilerzweig 15 ist nichtleitend, das Potential am Anschlußpunkt entsprechend dem Kurvenstück 93 iß -Pig· 4 nahe Null. Der Transistor 43 im Differenzverstärker 17 ist also gesperrt. Dagegen ist das Potential am Anschlußpunkt 82 des Gpannungsreglerzweigs 16 im wesentlichen so hoch wie das Potential am Anschlußpunkt 81, denn die Referenzdiode 63 ist ebenfalls nichtleitend, und deshalb ist der Differenzverstärkertransistor 44 leitend. Über den Widerstand 74 fließt ein Strom, die am Widerstand 74 auftretende Spannung macht die beiden Vorverstärker transistoren 46 und 47 leitend - denn die Basis der. Vorverstärkungstransistors 47 liegt über den Widerstand 73 im wesentlichen auf dem Potential der Leitung 29 -> und es fließt ein Strom durch die Widerstände 76 und 78. Die über dem Widerstand 78 abfallende Spannung bringt den Treibertransistor 42 und dieser den Schaltertransistor 41 in den leitfähigen Zustand.

Damit wird der Erregerstrom eingeschaltet und die zu regelnde Spannung U_T

steigt an. Von dem Augenblick an, da IL den Wert U₇₁ erreicht, bleibt das Potential am Anschlußpunkt 83 in erster Näherung konstant, die Konstantstromquelle mit dem Transistor 45 ist im normalen Betriebszustand. Das Potential am Anschlußpunkt 86 bleibt weiter nahe Null; deshalb bleifct der Transistor nach wie vor gesperrt und durch die Vorstufentransistoren 46 und 47 fließt der Strom, der den Halbleiterschalter 4I» 42 eingeschaltet hält. Wenn die Spannung U- den Wert U„_o überschreitet, steigt das Potential am Anschluß-

Il LlC.

punkt 86 entsprechend dem Kurvenstück 94 in Fig. 4 ^an> die Spannung U_p ist vorläufig aber noch klein im Verhältnis zur Spannung U₁, die Differenzspannung U₃. ist noch stark negativ* der lalbleiterschalter 4I» 42 bleibt daher weiterhin leitend. Wegen des Spani-ungs abfalle am Widerstand 62 nimmt die Spannung U. mittlerweile geringfügig zu.

In dem Augenblick, da die Spannung U. den Wert U_Q (Fig. 3) erreicht, sind die beiden Spannungen U₁ und U« gleich groß, die Differenzspannung U- ist Null. Die Differenzverstärkertransistoren 43 und 44 sind beide leitend; die Basen der Vorverstärkertransistoriin 46 und 47 haben beide das gleiche Potenti.al^ ί·, und da ihre Emitter, miteinander verbunden sind, sind damit beide nicht-

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leitend. Es fließt kein Basisstrom mehr durch den Widerstand 76 in den Treibertransistor 42, der Schaltertransistor 41 ist also nichtleitend, und die Erregerstromzufuhr ist abgeschaltet. Tatsächlich wird der Abschaltvorgang schon vor Erreichen des Werts U eingeleitet vor allem deshalb, weil die Vorverstärkertransistoren 46 und 47 wie alle Transistoren beide eine Mindest-Basis-Emitter-Spannung benötigen, um einen Kollektorstrom führen zu können.

Solange der Halbleiterschalter 41» 42 leitend war, lag der Rückkopplungswiderstand J2 im wesentlichen parallel zu dem Teilwiderstand 56 des Spannungsteilerzweigs 15» also mit einem Ende nahezu auf NuI!potential. Jetzt, da dieser Halbleiterschalter nichtleitend ist, liegt das eine Ende des Widerstands 72 über die. ljöschdiode 25 und die Erregerwicklung 24 an der zu regeln- ^ den Spannung TL. . Das Potential am Anschlußpunkt 87 und damit mittelbar die Spannung U„ wird also durch den Abschaltvorgang über den Rückkopplungswiderstand 72 weiter erhöht; diese Schaltungsmaßnahme beschleunigt den Schaltvorgang wesentlich. Der Widerstand 72 könnte auch am Anschiußpunkt 86 und damit direkt an dem einen Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen werden; auch aus technologischen Gründen ist es aber unter Umständen günstiger, ihn mit einer Anzapfung des zwischen den Anschlußpunkten 86 und 88 liegenden Widerstandsteils zu verbinden.

Nachdem der Halbleiterschalter 41> 42 nichtleitend geworden ist, nimmt der Erregerstrom in der schon geschilderten Weise ab. Die Spannung U- sinkt, bis der Wert von Up soweit unter dem von U., liegt, daß der Differenzverstärkertransistor 45 zu wenig Kollektorstrom erhält, um die Vorverstärkertransistoren A 46, 47 gesperrt zu halten. Der nun einsetzende Strom durch den Widerstand in die Basis des Treibertransistors 42 schließt den Halbleiterschalter 4I» 42, und durch die Erregerwicklung 24 kann wieder ein Strom fließen. Auch dieser Schaltvorgang erfährt durch den Rüokkopplungswiderstand 72 eine Beschleunigung: Mit dem teitendwerden der Transistoren 4I und 42 wird der Widerstand 72 einseitig vom Ladespannungspotential nahezu an Nullpotential gelegt, was das Kleinerwerden der Spannung U₂ und damit das Anwachsen des Basisstroms in den Treibertransistoren 42 unterstützt. Infolge des eben geschilderten Schaltvorgangs beginnt die zu regelnde Spannung U. wieder anzusteigen, das RegeIspiel wiederholt sich. ■

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Die Erregerwicklung 24 besteht aus zahlreichen Windungen >iner auf den Läufer aufgebrachten Drahtwicklung» Diegesamte Wicklung 24 weist eine bestimmte meßbare Induktivität auf ,Andererseits haben d^e einzelnen Windungen gegeneinander eine Kapazität, 4ie sich über der,gesamten Erregerwicklung 24 zu einer meßbaren Größe aufsummiert. Außerdem ist noch von einer Schaltkapazität zu sprechen, die beispielsweise 4ie von der Erregerwicklung 24 Jjber den Anschlußpunkt 89 zum Verstärker 1§_. führende Leitung aufweist. Alle diese Kapazitäten und die hauptsächlich in der Erregerwicklung-24 konzentrierte Induktivität bilden ein schwingfähigep Gebilde. . _;

Die Spannungsregleranordnung stellt nun in ihrer Gesamtheit einen Zweipunkt-Regelkreis mit einer Taktfrequenz zwischen 20 und 500 Hz dar. Der Hegler ist mit mehreren Transistorstufen hoher yerstärkung aufgebaut, und so besteht die Gefahr, daß sich im Regelkreis wilde Schwingungen aufschaukeln, und zwar während der Zeit, in der der Halbleiterschalter 4I, 42 vom leitenden in den nichtleitenden Zustand übergeht und umgekehrt. Frequenzbestimmehd ist in diesem Pail im wesentlichen" der Schwingkreis, den - wie geschildert - die Erregerwicklungsinduktivität zusammen mit den Wicklungs- und Schaltkapazitäten bildet. Die Vierte der Induktivität und der Kapazitäten liegen so, daß die Frequenz der möglichen wilden Schwingung groß ist im Vergleich zu der Taktfrequenz. Ein Merkmal der Erfindung ist die Verhinderung derartiger Schwingungen mit Hilfe eines VerstärkerelementB 46, das einen von der Frequenz abhängigen Verstärkungsfaktor aufweist, der insbesondere bei höheren.Frequenzen kleiner ist als bei niedrigeren. . ;: . ,'

Fig. 4 zeigt Beispiele für besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Spannungsteilerpaars 15* 16. Die zu regelnde Spannung D_L läßt sich mit dem Spannungsregler um so leichter auf einem vorgegebenen Wert halten - die Regelgenauigkeit ist also um so höher -, ,je größer der Schnittwinkel zwischen den Kurvenstücken 92 und 94 in Fig. 3 ist. Ist daß Spannungsteilerpaar 15, 16 ausschließlich mit ohisifehtn Widerständen und Halbleiterelementen mit Diodencharakteristik aufgebaut w was sich auf besonders einfache Weise in der integrierten Schaltuhgsbauweise verwirklichen läßt -, βο ist theoretisch ein maximaler Schnittwinkel von Oi » 45° erreichbar, wenn das

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Spannungsteilerpaar durch die weitere Schaltungsanordnung nicht belastet ist. Im allgemeinen Fall ist der Schnittwinkel jedoch kleiner, auch weil besondere Anforderungen an die Temperaturabhängigkeit gestellt werden.

Die besonderen Ausgestaltungen des Spannungsteilerpaars 15» 16 in Fig. 4 haben mit dem ersten in Fig. 2 gezeigten Beispiel gemeinsam, daß der zwischen den Anschlußpunkten 85 und 86 liegende Zweig wie auch der zwischen den Anschlußpunkten 82 und 84 liegende Zweig als wesentlichen Bestandteil ein Spannungsreferenzelement 53 bzw. 65 aufweist« Die Spannungsteilerzweige zwischen den Anschlußpunkten 86 und 88 sowie zwischen den Anschlußpunkten 81 und 82 enthalten als im wesentlichen wirksames Teil einen ohmschen Widerstand 54 j 56 bzw. 61.Die weiteren Schaltelemente dienen dazu, für einen verlangten Temperaturkoeffizienten des Spannungsreglers den Schnittwinkel zwischen dem jeweiligen Verlauf der beiden Teilerspannungen U., und U_? möglichst groß zu machen.

In Fig. 4 zeigen die Beispiele a) bis d) Schaltungsmöglichkeiten für den Spannungsteilerzweig 16. Das Beispiel a) enthält drei Dioden 163, 165» und drei ohrasche Widerstände 161, 162, 164. Das Beispiel b) zeigt ebenfalls drei Dioden· 262 bis 264 und zwei ohmsche Widerstände 261 und 265. Das Beispiel c) enthält eine Anordnung mit vier Dioden 562 bis 365 und einem ohmschen Widerstand 361· Und- das Beispiel d) schließlich zeigt eine Schaltungsart mit zwei in Durchlaßrichtung geschalteten Dioden 463» 464» einer in Sperrichtunti geschalteten Diode 462 mit Spannungsdurchbruchacharakteristik und mit einem ohmschen Widerstand 46I. Wie ersichtlich, ist in allen vier Fällen der Zweig zwischen den Anschlüssen 81 und 82 als ohmscher Widerstand und der Zweig zwischen den Anschlüssen 82 und 84 als spannungsabhängiger Widers l-und ausgebildet.

Die Beisplelfe e),f): und g) der Pig, 4 zeigen Schaltungsaiöglichkeiten für den Spannungsteiler 15. Das Beiapiel d) zeigt fünf Widerstände 15I, I52, I54, 156, 1*37» oinen Biebkondenaator 155 und eine in Sperrichtung geschaltete Diode 153 mit Spannüngsdurehbruchscharakteristik. Das Beispiel f) enthält eine Schaltung mit vier Widerständen 251» 252, 254» 256, einer in"Sperr-■

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richtung geschalteten Diode 253 mit Spannungsdurchbruchscharakteristik, und einem Siebkondenaator 255· Und daß Beispiel g) zeigt eine Schaltung mit zwei Widerständen 354» 356, einer in Durchlaßrichtung geschalteten Diode 351 und einer in Sperrichtung geschalteten Diode 353 mit Spannungsdurchbruchscharakterißtik (Zenerdiode). Wie man sieht, sind in allen drei Beispielen e), f) und g) die Zwoige zwischen den Anschlüssen 86, 87 und 88 als ohmsche Widerstände ausgebildet, während der Zweig zwischen den Anschlüssen 85 und 86 als spannungsabhängiger Widerstand (Zenerdiode) ausgebildet ist. Der Siebkondensator 155 bzw. 255 liegt bei den beiden Beispielen e) und f) zwischen dem Anschluß 88 und einem Punkt des WiderBtandsnetzwerks zwischen den Anschlüssen 85 und 86. Man erhält so eine optimale Siebung, ohne die Wirkung des Mitkopplungswiderstands 72 zu stören. Auch benötigt man so nur einen kleinen Siebkondensator, was bei einer integrierten Schaltung besonders erwünscht ist. Selbstverständlich kann bei der Regelung eines Gleichstromgenerators ein solcher Siebkondensator entbehrt werden.

Im folgenden sind weitere Erwägungen, die zu der Lösung der gestellten Aufgabe führten, und einzelne vorteilhafte Anordnungen, die der erfindungsgemäße Spannungsregler enthalt, geschildert.

Damit die günstigen Eigenschaften des Differenzverstärkers 43» 44 nicht verloren gehen, darf er nioht unsymmetrisch belastet werden, was der Fall wäre, wenn der liingang des Halbleiterschalters 4I , 42 direkt mit einem der beiden Ausgänge des Differenzverstärkers 43» 44 verbunden wäre. Aus diesem Grund ist zwischen den Ausgängen des Differenzverstärkers und dem den Erregerstrom steuernden Halbleiterschalter ein Vorverstärker angeordnet, der zwei symmetrische, einzeln mit den beiden Ausgängen cee Differenzverstärkers gekoppelte Hingänge aufweist. Dieser Vorverstärker 46, 47 besitzt also einen Gegentakt-Eingang und einon Hintakt-Ausgang. Der Vorverstärker ist zweckmäßigerweise mit einem komplementären Transistorpärchen 46 und 47 ausgebildet, was einen besondere einfachen Aufbau und die geforderten vorteilhaften Eigenschaften der iiehaltunf^anordriung ermöglicht.

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Hol geeigneter Bemessung sind die Eingangswiderstände und die Verstärkung des Differenzverstärkers 41, 42 groß* so daß nur kleine Basis- und Kollektorströme erforderlich sind. Die Basis des Transistors 45 erhält von der Referenzdiode63 her ein festes Potential, so daß dieser als Konstantstromquelle wirkt.

Der Gegenkopplungswiderstand 77 im Vorverstärker erhöht die Stabilität der Regleranordnung, beeinflußt aber ihr Hystereseverhalten} er ist nicht unbedingt erforderlich. Der Widerstand j6 begrenzt den Basisstrom des Treibertransistors 42 auf den zulässigen Wert. Die Widerstände 76 und 7? können in der integrierten Schaltungsanordnung vorteilhafterweise durch die Bahnwiderstände der zugehörigen Transistoren 46 und 47 dargestellt werden. Der Widerstand 7⁸ dient in bekannter Weise dazu, die Basis des Treibertransistors iitmlchtleitenden Zustand auf das Potential Null zu bringen. .

Von großem Vorteil für die Punktion der Spannungsregleranordnung ist die Tatsache, daß die Werte der Kollektor-Emitter-Restspannungen der beiden Vorverstärkertransistoren 46 und 47» die den Basisstrom für den Treibertransistor 42 führen, keinen nachteiligen Einfluß auf die Eigenschaften der Regleranordnung haben, so daß besonders in integrierten Schaltungen mindestens insoweit für die Spannungsregleranordnung nur ein geringer schaltungstechnischer Aufwand getrieben werden muß.

Die Verstärkung im Regelkreis lot infolge der verwendeten Baugruppen Differenz- und Vorverstärker - so hoch, daß die Hysterese, das heißt der Abstand der zum Einschalten und Ausschalten der Erregerstroms erforderlichen Werte der zu regelnden Spannung U-, sehr klein ist, der Regler also schon mit kleinen Änderungen der Differenzspannung U, voll durchgesteuert wird. Außerdem ist bekanntlich die Wirkungsweise des Differenzverstärkers 43> 44 in einem weiten Bereich vom Absolutwert der Spannungen U₁ und Up an seinen Eingängen nahezu unabhängig, nur die Differenz zwischen U.. und U„ ist maßgebend. Das bedeutet, daß die Hohe und die Temperatürabhängigkeit der zu regelnden Spannung fast ausschließlich von den Eigenschaften des Spannungsteilerpaars 15, 16 bestimmt werden, das zudem wegen der genannten Eigenschaften des Differenzverstärkers besonders einfach aufgebaut ist.

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Das aus dem Widerstand 51 und dem Kondensator 55 bestehende Siebglied im Spannungsteilerzweig 15 dämpft die SpanriungsSprünge, die beim Regelspiel auftreten und wegen der nichtlinearen Charakteristik der Referenzdiode 53 praktisch voll weitergegeben würden. Im Spannungsteilerzweig 16 ist ein solches Siebftlied nicht nötig, da die Referenzdiode 63 die SpannungsSprünge im wesentlichen auffängt. Man benötigt daher nur einen Kondensator. Die Referenzdiode 63 im Spannungsteilerzweig 16 hat eine zweifache Aufgabe: einmal stellt sie die Bezugsspannung für die Basis des Konstantstromquellen-Transistors 45 zur Verfügung, zum anderen bildet sie zusammen mit dem Widerstand 62 die Bezugsspannungsquelle für die Basis des Differenzverstärkertransistors 44· Der Widerstand 62 überbrückt den aus der Basis-Kollektor-Spannung des Transistors 45 und der Emitter-Basis-Spannung des Transistors zusammengesetzten Potentialunterschied der beiden genannten Basen.

Der aus dem Differenzverstärker 43t 44 mit der Konstantstromquelle 45>dem Vorverstärker 46, 47 und dem Spannungsteiler 15» 16 bestehende Teil der Regleranordnung ist auch zum Ansteuern eines pnp-Halbleiterschalters geeignet. In diesem Fall erfolgt die Auskopplung am Kollektor des Vorverstarkertransiütors 47·

Die vorliegende Erfindung schafft auf diese Weise einen Spannungsregler, der insbesondere im Hinblick auf eine mindestens teilweise Gestaltung in integrierter Schaltkreistechnik gegenüber bisherigen Spannungsreglern Vorteile aufweist. So ist der Spannungsteiler I5» 16 einerseits mit sehr einfachen Mitteln aufgebaut, hat andererseits aber vorzügliche Eigenschaften in Hinsicht auf Temperaturgang und Spannungsempfindlichkeit. Durch die besondere Ausbildung des Verstärkers I9 besteht für die Spannungsregleranordnung keine Zerstörungsgefahr durch Überspannungen infolge wilder Schwingungen im Regelkreis. Wegen der vorteilhaften Schaltungsanordnung kann der Regler mit gerihgem technologischem Aufwand gefertigt sowie ein als integrierter Schaltkreis verwendetes Halbleiter-Chip durch Verteilen von an sich diskreten Widerständen auf die Bahnwiderstände der kalblelterelemente gut ausgenutzt werden.

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Claims

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Ansprüche

Spannungsregler zum Regeln der Ausgangsspannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere einer Dr.ehstromliehtmaschine, mit einer den Erregerström steuernden, mindestens einen Halbleiterschalter enthaltenden LeistungsBtufe, dadurch gekennzeichnet, daß an die zu regelnde Ausgangsspannung ein Paar von Spannungsteilern (15, 16) angeschlossen ist, deren Abgriffe (82, 86) mit den Eingängen eines die Leistungsstufe (41) beeinflussenden Differenzverstärkers (43» 44) verbunden sind. ■
2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Spannungsteiler ein von der zu regelnden Ausgangsspannung abhängiges Teilerverhältnis aufweist.
3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Spannungsteiler ein von der Umgebungstemperatur abhängiges Teilerverhältnis aufweist«
4· Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Elemente des Spannungsteilerpaars (15» 16) in Form einer Brückenschaltung angeordnet sind, deren gegenüberliegende Zweige je einen von der anliegenden Teilspannung abhängigen Widerstandsteil enthalten.
5· Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente des Spannungsteilerpaare (15» 16) in Form einer Brücke angeordnet sind, deren gegenüberliegende Zweige einen von der Umgebungstemperatur abhängigen Widerstandsteil aufweisen.

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6. Spannungsrelger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch /rekennzeichnet, daß in dem ersten Spannungsteiler (16) zwischen einem Anschluß (82) des zugehörigen Differenzverstärker-Einnangs und einem

Anschluß (81) der zu regelnden Spannung ein im wesentlichen temperatures ) und gegebenenfalls spannungsunabhängiger Widerstand und zwischen dem Anschluß (82) des zugehörigen Differenzverstärker-Eingangs und einem anderen Anschluß (84) der zu regelnden Spannung ein von der anliegenden Teilspannung und der Umgebungstemperatur abhängiger Widerstands-

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teil angeordnet ist.
7. Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (82) und dem anderen Anschluß (84) der

zu regelnden Spannung angeordnete Widerstandsteil als Netzwerk aus Halbfest (62)

leiterelementen mit Diodencharakteristik und ohmschen Widerständen ausgebildet ist.
8. Spannungsregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (82) und dem anderen Anschluß (84) der zu regelnden Spannung angeordnete Widerstandsteil einen Abgriff (83) aufweist.
9· Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Spannungsteiler (15) zwischen einem Anschluß (86) des zugehörigen Differenzverstärkereingangs und einem Anschluß (8^l>) der zu regelnden Spannung ein von der anliegenden Teilspannung und gegebenen-

t'ft T2.S3I falls der Umgebungstemperatur abhängiger Widers landsteil und daß zwischen dem genannten Differenzverstärkeranschluß (86) und einem anderen Anschluß (88) der zu regelnden Spannung ein ohmscher Widerstand'angeordnet ist.
10. Spannungsregler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (86) und dem Anschluß (85) der zu regeln-

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den Spannung angeordnete Wideratandsteil als Netzwerk aus Halbleiter- ^T (Si₁ SZ) elementen mit Diodencharakteristik und ohmschen Widerständen ausgebildet ist.

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11. Spannungsregler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der

zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (82) und dem anderen An-

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Schluß (88) der zu regelnden Spannung angeordnete Widerstand einen Abgriff (8?) aufweist.
12. Spannungsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk eine Siebschaltung (51» 52» 55) zum Glätten der geregelten Spannung aufweist.
13. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen des Differenzverstärkers (43» 44) und dem Eingang der Leistungsstufe ein Vorverstärker (4", 47) angeordnet ist.
14· Spannungsregler nach Anspruch I3» dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (46, 47) zwoi symmetrische, einzeln mit den Ausgängen dea Differenzverstärkers (43» 44) gekoppelte Eingänge aufweist.
15. Spannungsregler nach Anspruch I3 oder I4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (46» 47) zum Verhindern von wilden Schwingungen mindestens einen Transistor (46) mit niederer TransiLfrequenz aufweist.
16. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 13 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (46» 47) zwei komplementäre Transistoren (46» 47) aufweist.
17. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (43» 44) in an sich bekannter Weise zwei Transistoren (43 > 44) enthält, bei denen zwei gleichnamige Elektroden miteinander verbunden sind, und daß in der Zuleitung zu diesen miteinander verbundenen Elektroden eine Konstantstromquelle (45) angeordnet ist, deren Steuereingang mit einem Abgriff (83) des zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (82) und dem anderen Anschluß (84) der zu regelnden Spannung angeordneten Widers tandsteil des ersten Spannungsteilers (16) verbunden ist.

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18. Spannungsregler nach Anspruch 1?» dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Spannungsteiler (16) Halbleiterelemente (65) mit Durchbruchscharakteristik vorgesehen sind, die gleichzeitig die Bezugsspannung für die Konstantstromquelle (45) und im wesentlichen die Bezugsspannung Tür den einen Eingang des Mfferenzverstärkers (45» 44) zur Verfugung stellen.
19. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 11 oder I3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsstufe (41» 42) des Spannungsreglers (19) über einen Mitkopplungswiderstand (72) mit dem Abgriff (87) des zwischen dem Differenzverstärkeranschluß (82) und dem anderen Anschluß (88) der zu regelnden Spannung angeordneten Widerstands verbunden ist.
20. Spannungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Vorverstärkertransistoren (46, 47) mit den zugehörigen Serienwiderständen (76, 77» 78), die Differenzverstärkertransistoren (43» 44) mit den zugehörigen Serienwiderständen (73» 74) und der Konstantstromquellen-Transistor (45) mit dem zugehörigen Serienwiderstand (75) als integrierter Schaltkreis ausgebildet iat.

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