DE1763120A1 - Voltage regulator - Google Patents
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Description
R. 9118
2.4.1968 Ohr/SzR. 9118
2.4.1968 Ohr / Sz
Anlage zur
PatentanmeldungAttachment to
Patent application
Die Erfindung bezieht sich, auf einen Spannungsregler zum Regeln der Aus gangs spannung eines mit einer Erregerwicklung versehenen Generators, insbesondere einer Drehstrom-Lichtmaschine, mit einem steuerbaren Halbleiter zum Steuern des Erregerstroms und betrifft eine Vorrichtung, die bei einem Ansteigen der zu regelnden Spannung über einen zugelassenen Höchstwert, beispielsweise infolge von Schaden in der Spannungsregleranordnung, den Erregerstrom abschaltet.The invention relates to a voltage regulator for regulating the From the output voltage of a generator provided with an excitation winding, in particular a three-phase alternator, with a controllable Semiconductors for controlling the excitation current and concerns a Device that when the voltage to be regulated increases over an authorized maximum value, for example as a result of damage in the voltage regulator arrangement, switches off the excitation current.
Die bekannten Anordnungen von Spannungsreglern halten die Ausgangsspannung der Lichtmaschine auf einem vorgegebenen mittleren Wert. Kleine Abweichungen zu höheren oder niedrigeren Spannungswerten ergeben sich laufend durch das Spiel des Reglers, der beim Ansteigen der zu regelnden Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen oberen Grenzwert die Stromzufuhr zur Erregerwicklung unterbricht und sie beim Absinken der Spannung unter einen unteren Grenzwert wiederThe known arrangements of voltage regulators maintain the output voltage of the alternator to a predetermined mean value. Small deviations to higher or lower voltage values result continuously through the play of the controller, which is increasing the alternator output voltage to be regulated via an upper one Limit value interrupts the power supply to the field winding and it again when the voltage drops below a lower limit value
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Robert Bosch GmbH R. 9118 Ghr/SzRobert Bosch GmbH R. 9118 Ghr / Sz
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herstellt (Zweipunktregler). Unterbricht die Regleranordnung infolge eines Fehlers den Erregerstrom nicht, wenn die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung den oberen Grenzwert ereicht hat, dann steigt diese Spannung entsprechend der Läuferdrehzahl weiter an, und zwar bis zu unzulässig hohen Werten. Diese Gefahr besteht vor allem bei Reglern, die zum Steuern des Erregersttfoms einen steuerbaren Halbleiter verwenden, beispieJs weise einen Transistor, da hier immer mit einem gewissen Anteil von fehlerhaften Halbleitern gerechnet werden mußj diese werden dabei durch das Durchlegiereri ihrer Emitter-Kollektor-Strecken ständig leitend.manufactures (two-position controller). Interrupts the controller arrangement as a result of a fault, the excitation current is not when the alternator output voltage has reached the upper limit value, then this voltage continues to rise according to the rotor speed, namely up to too high values. This is particularly the case with Controllers that use a controllable semiconductor to control the excitation state use a transistor, for example, as always here A certain proportion of defective semiconductors must be expected, due to the breakdown of their emitter-collector paths constantly leading.
Steigt die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen zulässigen Höchstwert, dann besteht die Gefahr, daß die Fäden der Fahrzeuglampen durchbrennen, daß die Fahrzeugbatterie überladen wird und daß die Batterieflüssigkeit verdampft. Die Folgeschäden nach einem Defekt im Spannungsregler können also erheblich sein.If the alternator output voltage rises above a permissible maximum value, there is a risk that the threads of the vehicle lamps burn out that the vehicle battery is overcharged and that the battery fluid evaporates. The consequential damage after a Defects in the voltage regulator can therefore be significant.
Bekannt ist eine Anordnung, die zum Vermeiden solcher Schäden im Gefahrenfall den Erregerstrom beispielsweise mit Hilfe eines Überspannungsrelais abschaltet; diese mechanische Anordnung selbst ist Jedoch störanfällig und für viele Anwendungsfälle zu teuer. Eine weitere schon bekannte Schaltungsanordnung mit einem Thyristor, der die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung im Gefahrenfall kurzschließt und damit auch den Erregerstrom zum Versiegen bringt, erfordert mehrere einzelne: Schaltelemente.An arrangement is known to avoid such damage in the In case of danger, the excitation current, for example with the help of an overvoltage relay switches off; However, this mechanical arrangement itself is prone to failure and is too expensive for many applications. One Another already known circuit arrangement with a thyristor which short-circuits the alternator output voltage in the event of danger and thus also brings the excitation current to dry up, requires several individual: switching elements.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die mit geringem Aufwand und mit einem selbst nicht störanfälligen Schaltmittel den Erregerstrom abschaltet, sobald die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung über einen zugelassenen Höchstwert ansteigt.The object of the invention is to provide a device that with With little effort and with a switching device that is not itself susceptible to failure, it switches off the excitation current as soon as the alternator output voltage rises above a maximum permitted value.
Eine einfache und wirkungsvolle Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Spannungsregler nach der Erfindung dadurch erreicht, daß an die den Erregerstrom bewirkende Spannung ein spannungsabhängiges Schaltelement angeschlossen ist, das bei der gewünschten AusgangsspannungA simple and effective solution to this problem is with a Voltage regulator according to the invention achieved in that a voltage-dependent switching element is applied to the voltage causing the excitation current connected, that at the desired output voltage
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einen hohen Innenwiderstand aufweint und das beim Ansteigen dieser Spannung über einen zugelassenen Höchstwert seinen Widerstand in Richtung auf einen kleinen Wert bleibend verändert. Die gewünschte Wirkung läßt sich besonders vorteilhaft erzielen, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Schaltelement ein Halbleiterelement, insbesondere eine Halbleiterdiode mit Durchbruchseharakteristik ist, das beim Ansteigen der genannten Spannung über einen zugelassenen Höchstwert die Spannungsquelle im wesentlichen kurzschließt.a high internal resistance and that when it increases Voltage above a permissible maximum value changes its resistance in the direction of a small value remaining. The desired Effect can be achieved particularly advantageously if in further Embodiment of the invention, the switching element is a semiconductor element, is in particular a semiconductor diode with breakdown characteristics, when the said voltage rises above a permitted one Maximum value the voltage source essentially short-circuits.
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.Further details and useful developments of the invention result from what is described below and in the drawing illustrated embodiment.
Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung.The single figure shows a circuit according to the invention.
Eine mit 10 bezeichnete Drehstrom-Lichtmaschine hat drei Wechsel-' Stromwicklungen 11, 12, 13 und eine Erregerwicklung 14, die in bekannter Weise relativ zu den Wechselstromwicklungen 11, 12, 15 bewegt wird und dabei in diesen drei um 120° gegeneinander versetzte Wechselspannungen erzeugt.A three-phase alternator designated by 10 has three alternating ' Current windings 11, 12, 13 and an excitation winding 14, which in known Way is moved relative to the alternating current windings 11, 12, 15 and thereby offset in these three by 120 ° from one another Alternating voltages generated.
über drei Gleichrichter 15 stehen die Wechselstromwicklungen 11 bis 13 mit einer gemeinsamen, an Masse angeschlossenen Minusleitung 17 und über drei Gleichrichter 16 mit einer ersten Plusleitung 18 in Verbindung. Die Gleichrichter 15 und 16 sind also, wie ersichtlich, als Dreiphasen-Brückengleichrichter geschaltet. - Zwischen den Leitungen 17 und 18 liegt eine Sammlerbatterie 19. The alternating current windings 11 to are available via three rectifiers 15 13 with a common negative line 17 connected to ground and connected to a first positive line 18 via three rectifiers 16. The rectifiers 15 and 16 are, as can be seen, connected as a three-phase bridge rectifier. A collector battery 19 is located between lines 17 and 18.
Eine zweite Plusleitung 22 ist gleichfalls über drei Gleichrichter an die Wechselstromwicklungen 11 bis 13 angeschlossen. Die Gleichrichter 23 bilden zusammen mit den drei Gleichrichtern 15 einen zweiten Brückengleichrichter, so daß zwischen den Leitungen 18 und 17 etwa die gleiche Spannung liegt wie zwischen den Leitungen 22 und 17·A second positive line 22 is also via three rectifiers connected to the AC windings 11 to 13. The rectifiers 23 together with the three rectifiers 15 form a second Bridge rectifier, so that between lines 18 and 17 approximately the same voltage as between lines 22 and 17
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Zwischen den Leitungen 22 und I7 ist ein als Zenerdiode bekanntes Halbleiterelement 21 mit Durchbruchscharakteristik angeschlossen, und zwar mit der Kathode an der zweiten Plusleitung 22.Between lines 22 and I7 is what is known as a zener diode Semiconductor element 21 with breakdown characteristic connected, specifically with the cathode to the second positive line 22.
Ein Widerstand 24· ist mit seinem einen Anschluß an die Leitung 22 und mit seinem anderen Anschluß über einen Verbindungspunkt 25 an einen Widerstand 26 angeschlossen, der seinerseits über einen als Abgriff 27 dienenden Verbindungspunkt und einen Widerstand 28 mit Masse verbunden ist. Die Widerstände 24·, 26, 28 bilden also zusammen einen Spannungsteiler, der an.die zu regelnde Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10 angeschlossen ist. - Zwischen dem Verbindungspunkt und Masse liegt ein Glättungskondensator 29, der kurzzeitige Spannungsschwankungen zwischen den Leitungen 17 und 22 glättet.One connection of a resistor 24 is to the line 22 and with its other connection via a connection point 25 a resistor 26 connected, which in turn via a connection point serving as a tap 27 and a resistor 28 with Ground is connected. The resistors 24 ·, 26, 28 thus form together a voltage divider that is used to control the output voltage of the Alternator 10 is connected. - Between the connection point and ground is a smoothing capacitor 29, the short-term voltage fluctuations between the lines 17 and 22 smooths.
Die Kathode einer als nichtlineares Glied dienenden Zenerdiode 52 ist an den Abgriff 27 angeschlossen. Die Anode der Zenerdiode 32 ist mit der Basis eines als Steuertransistor dienenden npn-Transistors verbunden, dessen Emitter, ebenso wie der Emitter eines zweiten npn-Transistors 34-, direkt mit Masse verbunden ist. Ein Widerstand 35 liegt zwischen der Basis des Transistors 33 und Masse.The cathode of a Zener diode 52 serving as a non-linear element is connected to tap 27. The anode of the zener diode 32 is with the base of an npn transistor serving as a control transistor connected, the emitter of which, like the emitter of a second npn transistor 34-, is directly connected to ground. A resistor 35 lies between the base of transistor 33 and ground.
Der Kollektor des Transistors 33 ist einerseits direkt mit der Basis des Transistors 34· und andererseits über einen Widerstand 36 mit der Leitung 22 verbunden. Der Kollektor des Transistors 34- ist mit dem einen Anschluß der Erregerwicklung 14 sowie über einen Widerstand mit dem Abgriff 27 verbunden. Der andere Anschluß der Erregerwicklung 14 ist, ebenso wie die Kathode einer ihr parallelgeschalteten Diode 38, an die Leitung 22 angeschlossen.The collector of transistor 33 is on the one hand directly connected to the base of the transistor 34 · and on the other hand via a resistor 36 to the Line 22 connected. The collector of transistor 34- is with the one terminal of the field winding 14 and connected to the tap 27 via a resistor. The other connection of the excitation winding 14, like the cathode of a diode 38 connected in parallel, is connected to line 22.
Die durch eine strichpunktierte Linie 39 umrahmten Bauteile 32 bis 37 bilden zusammen eine Verstärkereinheit, die nur aus Widerständen und Transistoren aufgebaut ist und deshalb leicht als integrierte Schaltung realisiert werden kann. 'v The components 32 to 37 framed by a dash-dotted line 39 together form an amplifier unit which is composed only of resistors and transistors and can therefore easily be implemented as an integrated circuit. ' v
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Zwischen der Leitung 22 und der Plusleitung 18 liegt die Serienschaltung einer Ladeanzeigelampe 40 und eines Zündschalters 41. The series connection of a charge indicator lamp 40 and an ignition switch 41 is located between the line 22 and the positive line 18.
Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: Wenn die Lichtmaschine 10 eine zu kleine Spannung abgibt, ist das Potential am Abgriff 27 so niedrig, daß die Zenerdiode 32 sperrt und der Transistor 33 keinen Basisstrom erhält, also nicht leitet. Sein Kollektor hat dann positives Potential gegenüber der Leitung 17, so daß im Transistor 34 ein Basisstrom fließt und dieser Transistor leitend ist, wodurch ein Strom durch die Erregerwicklung 14 fließt und sich die Ausgangsspannung des Generators 10 erhöht.The circuit described works as follows: When the alternator 10 emits too low a voltage, the potential at tap 27 is so low that Zener diode 32 blocks and the transistor 33 does not receive any base current, i.e. it does not conduct. His collector has then positive potential with respect to line 17, so that in the transistor 34 a base current flows and this transistor is conductive, whereby a current flows through the field winding 14 and the Output voltage of the generator 10 increased.
Der Kollektor des Transistors 34 hat dabei etwa das Potential der Minusleitung 17, so daß in diesem Fall der Widerstand 37 so.wirkt, als wäre er zwischen den Abgriff 27 und Masse geschaltet. Er verringert also die Spannung am Teilwiderstand 28 des Spannungsteilers 24, 26, 28. und hält dadurch den Steuertransistor 33 und die Zenerdiode 32 fest gesperrt. Steigt die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10, so wird das Potential des Abgriffs 27 schließlich so positiv, daß die Zenerdiode 32 zu leiten beginnt und im Transistor 33 ein Basisstrom Oßßt, so daß dieser ebenfalls beginnt, leitend zu werden. Dabei nimmt sein Kollektorstrom stark zu, wodurch der Basisstrom des Transistors 34 abnimmt. Hierbei wird das Kollektorpotential des Transistors 34 positiver und erreicht etwa das Potential der Leitung 22. Der Widerstand 37 wirkt also jetzt so, als wäre er zwischen dem Abgriff 27 und die Leitung 22 geschaltet, erhöht also das Potential des Abgriffs 27 beispielsweise um 0,2 V. Die Zenerdiode 32 wird durch diese Potentialerhöhung voll leitend. Hierdurch wird der Transistor 34 voll gesperrt.The collector of transistor 34 has approximately the potential of Minus line 17, so that in this case resistor 37 works like this, as if it were connected between tap 27 and ground. He diminishes so the voltage at the partial resistor 28 of the voltage divider 24, 26, 28 and thereby holds the control transistor 33 and the Zener diode 32 firmly blocked. The output voltage of the alternator increases 10, the potential of the tap 27 is finally so positive that the Zener diode 32 begins to conduct and in the transistor 33 a base current Oßß, so that this also begins, to become managerial. At the same time, its collector current increases sharply, as a result of which the base current of transistor 34 decreases. Here is the Collector potential of transistor 34 more positive and reaches about the potential of the line 22. The resistor 37 now acts as if it were connected between the tap 27 and the line 22, thus increases the potential of the tap 27, for example, by 0.2 V. The Zener diode 32 is due to this increase in potential fully conductive. As a result, the transistor 34 is completely blocked.
Die Mitkopplung über den Widerstand 37 ermöglicht ein sehr rasches Umschalten des Transistors 34 aus seinem ausgeschalteten in seinen eingeschalteten Zustand und umgekehrt. Durch die vorteilhafte Anordnung de« Glättungskondensators 29 kann die Mitkopplung durch den Widerstand 37 voll wirksam werden.The positive feedback via the resistor 37 enables a very rapid Switching the transistor 34 from its off to its switched on state and vice versa. Due to the advantageous arrangement of the smoothing capacitor 29, the positive feedback through the Resistance 37 become fully effective.
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Nach der Sperrung des Transistors 34 sinkt der Strom in der Erregerwicklung 14 - der in diesem Falle durch die Diode 38 weiterfließt -·· exponentiell ab, wodurch auch die Ausgangsspannimg der Lichtmaschine von ihrem oberen Grenzwert wieder absinkt, und zwar so weit, bis die Zenerdiode 32 wieder sperrt. An diesem unteren Grenzwert der Ausgangsspannung wird dann - wie schon geschildert - der Transistor wieder leitend, es fließt aufs neue ein Strom durch die Erregerwicklung 14, die Ausgangsspannung steigt wieder an, und das Regelspiel beginnt von vorn. Der Transistor 34 schaltet den. Strom durch die ^Erregerwicklung 14 jö nach der Belastung der Lichtmaschine etwa zehn- bis hundertmal in der Sekunde ein und aus.After the transistor 34 is blocked, the current in the excitation winding 14 drops - which in this case continues to flow through the diode 38 - exponentially, which also reduces the output voltage of the alternator drops again from its upper limit value until the Zener diode 32 blocks again. At this lower limit of the output voltage If then - as already described - the transistor becomes conductive again, a new current flows through the excitation winding 14, the output voltage rises again and the control cycle starts all over again. The transistor 34 switches the. Current through the ^ Excitation winding 14 jö after the load on the alternator about on and off ten to a hundred times a second.
Sollte der Transistor 34 aus irgend einem Grund nicht mehr gesperrt werden, sei es, daß der Strompfad vom Verbindungspunkt 27 zur Basis des Transistors 33 beispielsweise durch einen Defekt an der Zenerdiode 32 unterbrochen ist oder daß der Transistor 34 selbst durchlegiert hat, dann fließt dauernd ein Strom durch, die Erregerwicklung 14. Die Folge davon ist ein unerwünschtes Ansteigen der Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10.Should the transistor 34 no longer be blocked for any reason be it that the current path from connection point 27 to the base of the transistor 33 is interrupted, for example, by a defect in the Zener diode 32 or that the transistor 34 itself breaks down then a current flows continuously through the field winding 14. The consequence of this is an undesirable increase in the output voltage the alternator 10.
Die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung erreicht in. einem solchen Fall zunächst einen Wert, bei dem die Stromspannungskennlinie der Zener-' diode 21 einen deutlichen Knick aufweist, nämlich den Durchbruchs-Spannungswert. Durch die Zenerdiode 21 fließt ein von der anliegenden Ausgangsspannung abhängiger Zenerstrom, der mit steigender Spannung immer stärker wird. Infolge des ohmschen Widerstands der Zenerdiode steigt die Verlustleistung in diesem Element exponentiell an, so daß ihre Kathoden-Anoden-Strecke alsbald durchlegiert und dadurch einen sehr geringen Durchlaßwiderstand erhält. Die Ausgangsspannung der Lichtmaschine 10 bricht zusammen, der Strom durch die Erregerwicklung 14 nimmt ab, die Lichtmaschine entregt sich, also selbsttätig, über die Ladekontrollampe 40 - die nun aufleuchtet - fließt ein Strom von dem Pluspol 18 der Batterie 19 über die durchlegierte Zenerdiode 21 einerseits und die Erregerwicklung 14 sowie die Regleranordnung andererseits zum Minuspol 17.The alternator output voltage reaches in such a case initially a value at which the voltage characteristic of the Zener ' diode 21 has a distinct kink, namely the breakdown voltage value. A Zener current, which is dependent on the applied output voltage and increases with the voltage, flows through the Zener diode 21 getting stronger and stronger. As a result of the ohmic resistance of the Zener diode, the power loss in this element increases exponentially, so that their cathode-anode section is soon completely alloyed and thus has a very low forward resistance. The output voltage of the The alternator 10 collapses, the current through the excitation winding 14 decreases, the alternator de-excites itself, i.e. automatically, The charge control lamp 40 - which now lights up - flows in Current from the positive pole 18 of the battery 19 via the alloyed Zener diode 21 on the one hand and the field winding 14 and the regulator arrangement on the other hand to the negative pole 17.
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Der geschilderte Schutzvorgang let nicht umkehrbar. Im Fall eines Defekts muß also der gesamte Regler geprüft werden, ohne daß zunächst durch unsachgemäßes Hantieren an der Schaltungsanordnung noch mehr Schaden angerichtet werden kann.The protective process described cannot be reversed. In the case of one If there is a defect, the entire controller must be checked without first even more damage can be caused by improper handling of the circuit arrangement.
Die erfindungsgemäße Anordnung einer Zenerdiode an den Ausgangsklemmen einer Lichtmaschine parallel zu den Eingängen des zugehörigen Spannungsreglers schafft eine Schutzvorrichtung, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand und auf sichere Weise den Erregerstrom abschaltet, wenn infolge eines Defekts im Spannungsregler die Lichtmaschinen-Ausgangsspannung unzuläss5,g hohe Werte erreicht. Auf besonders einfache Art werden so die gefürchteten Folgeschäden von Überspannungen im Bordnetz verhindert.The inventive arrangement of a Zener diode at the output terminals of an alternator parallel to the inputs of the associated The voltage regulator creates a protective device that safely reduces the excitation current with little circuitry effort switches off if due to a defect in the voltage regulator the alternator output voltage is impermissible5, g reaches high values. In a particularly simple way, the dreaded consequential damage is eliminated prevented from overvoltages in the vehicle electrical system.
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