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Spannungsregler für einen an einer Belastung liegenden Gleichstromgenerator
Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für einen an einer Belastung liegenden
Gleichstromgenerator mit einem Leistungstransistor, dessen Emitter-Kollektor-Kreis
mit der Erregerwicklung des Generators in Reihe geschaltet ist, und einem den Leistungstransistor
steuernden Steuertransistor, dessen Kollektor an einer der Ausgangsklemmen des Generators
und an der Basis des Leistungstransistors liegt und dessen Basis zur Rückkopplung
über einen Widerstand mit einer der Hauptelektroden des Leistungstransistors so
verbunden ist, daß der eine Transistor durchgeschaltet ist, wenn der andere gesperrt
ist und umgekehrt.
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Es ist bereits bekannt, Transistoren zur Steuerung des Stroms in:
einer Feldwicklung zu verwenden. Dabei wird der Transistor kontinuierlich in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Ist-Wert der Verbraucherspannung ausgesteuert, wodurch ein sich
verändernder Erregerstrom erhalten wird. Der Nachteil einer derartigen Anordnung
besteht darin, daß bei einer derartigen Regelung im Leistungstransistor eine beträchtliche
Verlustleistung auftritt, durch die die steuerbare Erregerleistung begrenzt wird.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Spannungsregelung einer Lichtmaschine
mittels eines Leistungstransistors zu regeln, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit
der Erregerwicklung der Lichtmaschine in Reihe liegt und dessen Basis mit dem Kollektor
eines Steuertransistors verbunden ist, dessen Emitter-Basis-Strecke in der Diagonale
einer von der zu regelnden Ausgangsspannung gespeisten nichtlinearen Brücke liegt.
Der Kollektor des Leistungstransistors ist hierbei auf die Basis des Steuertransistors
über einen Widerstand mitgekoppelt, so daß beide Transistoren eine Multivibratorschaltung
bilden.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einfach aufgebauten und
betriebssicher arbeitenden Spannungsreglers der eingangs angeführten Gattung, der
ein besseres Ansprechverhalten als bisher bekannte und vorgeschlagene Anordnungen
aufweist und bei dem die in den verwendeten Transistoren auftretende Verlustleistung
möglichst gering ist.
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Dies wird gemäß der Erfindung bei einem Spannungsregler der angeführten
Gattung dadurch erreicht, daß der Emitter des Steuertransistors an den gemeinsamen
Punkt zweier einen Teil eines Rückkopplungskreises zwischen dem Emitter des Leistungstransistors
und der Basis des Steuertransistors bildenden. Widerstände angeschlossen ist und
daß zwischen die Basis des Steuertransistors und ein an den Ausgangsklemmen des
Generators liegendes Spannungsteilernetzwerk eine Zenerdiode geschaltet ist.
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Auf Grund seines einfachen Aufbaus und der Verwendung von Schaltelementen,
die gegen Erschütterungen wenig empfindlich sind, kann der erfindungsgemäße Regler
vorteilhaft bei Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden
an Hand der Zeichnung erläutert, deren einzige Figur ein Schaltbild des erfindungsgemäßen
Spannungsreglers zeigt.
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In dem Schaltbild ist der Leistungstransistor TR 2 in Reihe mit der
Feldwicklung 20 des Generators 22
geschaltet, dessen Ausgangsklemmen
mit den Leitungen 24 und 26 verbunden sind. Diese Leitungen
24
und 26 haben die eingezeichnete Polarität, und zwischen ihnen tritt das
zu regelnde Spannungspotential auf. Die Basis b des Leistungstransistors TR2 ist
mit der Leitung 24 über einen Widerstand R 5 verbunden. Der Wert dieses
ohmschen Widerstandes ist so gewählt, daß eine angemessene Basisstrommenge durch
den Transistor TR 2 fließt, um sicherzustellen, daß er seine maximale Leitfähigkeit
hat. Der Steuertransistor TR 1 ist im wesentlichen parallel zu der Emitter-Basis-Strecke
e-b des Transistors TR2 geschaltet. Dieser Steuertransistor TR 1 lenkt einen
Teil des Basisstromes oder den gesamten Basisstrom von dem Transistor TR 2 ab. Dadurch
steigt und sinkt der
Strom durch die Feldwicklung 20 umgekehrt mit
der Leitfähigkeit des Transistors TR 1. Es ist bekannt, daß der Widerstand eines
Transistors niemals vollständig auf Null reduziert werden kann. Deswegen verursacht
der Widerstand des Steuertransistors TR 1 immer eine schwache Leitfähigkeit des
Leistungstransistors TR 2, so daß der Feldstrom in dem oben beschriebenen Kreis
niemals zu Null wird. Um dieses Problem zu überwinden, werden die Vorspannungswiderstände
R 6 und R 7 verwendet. R 6 hat einen sehr geringen ohmschen Widerstand, so daß der
Spannungsabfall an ihm bei vollem Feldstrom nicht beträchtlich ist. Bei Generatoren
mit geringen Feldstromwerten wird der Wert dieses ohmschen Widerstandes so gewählt,
daß genügend Strom nach R 6 gelangt, um einen Spannungsabfall an R 6 hervorzurufen,
der gleich oder wenig größer als der minimale Spannungsabfall zwischen dem Emitter
e und Kollektor c des Steuertransistors TR 1 ist. So ist das Potential von Basis
und Emitter des Leistungstransistors TR 2 dasselbe und der Emitter-Kollektor-Strom
von TR 2 sowie der Strom durch die Feldwicklung 20 Null, wenn der Steuertransistor
TR 1 maximal leitend ist. Daraus folgt, daß ein Ansteigen des Basisstromes des Transistors
TR 1 ein Absinken des Stromes durch die Feldwicklung 20 zur Folge hat. Ferner ist
der Strom durch die Feldwicklung 20 bei irgendeiner bestimmten Größe des durch die
Basis von Transistor TR1 fließenden Stromes stabil.
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Zu der Vorrichtung, welche das System spannungsempfindlich macht,
gehört die Silizium-Flächendiode (Zenerdiode) 28. Diese Diode ist mit dem Basiskreis
des Steuertransistors TR 1 in Reihe geschaltet, und sie verhindert, daß durch die
Basis ein kontinuierlicher Strom fließt. Der Diodenkreis wird vervollständigt durch
die Verbindung der Diode 28 mit dem Schleifkontakt 30 des Potentiometerwiderstandes
R 2, der ein Teil des aus R 1, R 2 und R 3 bestehenden, zwischen die Leitungen 24
und 26 geschalteten Spannungsteilers ist. Ein wesentliches Merkmal der Diode 28
ist, daß sie bis zu einer bestimmten. Spannung, nämlich der Zener-Spannung, ein
Element von sehr hohem Widerstand darstellt. Oberhalb dieser bestimmten Spannung
sinkt der Widerstand der Diode abrupt, und bei, einer geringen Spannungsänderung
tritt eine große Änderung des durch sie hindurchfließenden Stromes ein. Der Spannungsteiler
ist so ausgebildet und angepaßt, daß die Spannung an der Diode 28 gleich oder wenig
größer als die Zener-Spannung der Diode ist, wenn die gewünschte, vorher festgelegte
Spannungsgröße zwischen den Leitungen 24 und 26 erreicht ist. Aus dem oben Gesagten
folgt, daß die Diode als ein Element von hohem Widerstand wirkt und kein Strom zwischen
dem Emitter e und der Basis b des Steuertransistors TR 1 fließt, wenn die geregelte
Spannung zwischen den Leitungen 24 und 26 geringer als vorher festgelegt ist. Das
bewirkt, daß der Strom durch den aus dem Widerstand R 5, der Basis b und
dem Emitter e des Transistors TR2 und dem Widerstand R 6 bestehenden Kreis maximal
ist und als Folge ein maximaler Feldstrom durch den aus dem Widerstand R 6, dem
Emitter e, dem Kollektor c des Leistungstransistors TR 2 und der Feldwicklung 20
bestehenden Kreis fließt. Wenn die Spannung zwischen den Leitungen 24 und 26 ansteigt,
wird die Diode 28 plötzlich leitend, der Basisstrom im Steuertransistor TR 1 beginnt
plötzlich zu fließen und steigt wegen der charakteristischen Wirkungsweise der Diode
28 an. Wenn das geschieht, leitet der Transistor TR 1 etwas von dem Strom durch
den Widerstand R5 von der Basis des Leistungstransistors TR2° ab. Wenn der Strom
durch die Basis von Transistor TR 2 somit reduziert ist, wird der Strom durch die
Feldwicklung 20 entsprechend auf einen Wert reduziert, der durch die Stellung des
Abgriffs 30 an dem Spannungsteiler bestimmt ist. Allgemein kann gesagt werden, daß
ein bestimmter Wert der geregelten Spannung (im folgenden mit Steuerspannung bezeichnet)
zwischen den Leitungen 24 und 26 eine bestimmte durch die Feldwicklung
20 fließende Strommenge zur Folge hat. Die Gesamtspannungsänderung, die erforderlich
ist, um den Feldstrom über seinen gesamten Bereich zu verändern, wurde zu etwa 0,1
bis 0,3 Volt ermittelt.
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Der Kondensator 32 dient als Filter und glättet die kleinen Spannungswellen,
welche in den Gleichstromleitungen 24 und 26 auftreten und sonst auf die Regelung
des Systems einwirken würden. Für den selben Zweck kann eine Induktivität in Reihe
mit der Diode 28 oder eine Kombination von Induktivität und Kapazität verwendet
werden.
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Der erfindungsgemäße Spannungsregler weist eine Rückkopplung auf,
welche dazu dient, den Regler bei jedem Punkt zwischen Voll- und Nullstrom in der
Feldwicklung 20 unstabil zu machen. Diese Rückkopplung umfaßt den Abgriff 34 am
Widerstand R 6, die Leitung 36, den Widerstand R 4 und die Leitung 38, welche
mit der Verbindung 40 zwischen der Diode 28 und der Basis b des Steuertransistors
TR 1 verbunden ist.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Anordnung wird nun der Steuerkreis
betrachtet. Die Steuerspannung, welche die Leitfähigkeit der Diode 28 steuert, besteht
im wesentlichen aus der Spannung zwischen der Leitung 26 und dem Abgriff 30 des
Potentiometers. Diese Spannung liegt an dem Steuerkreis, der den Abgriff 30, die
Leitung 42, die Diode 28, die Emitter-Basis-Strecke e-b am Transistor TR 1 bzw.
die Leitung 38 und den Widerstand R 4, die Leitung 36, den Abgriff 34 am Widerstand
R 6 und die Leitung 44 umfaßt. Der Abgriff 34 an R 6 wird so gewählt, daß, wenn
der Strom durch die Feldwicklung 20 sich von praktisch Null auf seinen Maximalwert
ändert, die Spannung zwischen dem Abgriff R 6 und der Leitung 26 sich um
annähernd 0,1 Volt ändert. Es ist augenscheinlich, daß dieser Spannungsabfall, welcher
die Rückkopplungsspannung darstellt, von der Steuerspannung abgezogen wird. Angenommen,
die zu regelnde, zwischen den Leitungen 24 und 26
herrschende Spannung
ist hoch, so ist der Feldstrom nahezu Null und die Rückkopplungsspannung minimal.
Wenn die geregelte Spannung absinkt, wird der Feldstrom veranlaßt, anzusteigen.
Dadurch steigt auch die Rückkopplungsspannung weiter an. Die Rückkopplungsspannung
jedoch wird von der Steuerspannung abgezogen und verringert dadurch die Steuerspannung,
so daß ein weiteres Ansteigen des Feldstromes erfolgt, bis die Leitfähigkeit des
Leistungstransistors TR 2 zwischen Emitter e und Kollektor c sowie der durch die
Widerstandswerte: der Feldwicklung bestimmte Strom einen Maximalwert erreichen.
Der maximale Feldstrom veranlaßt die geregelte Spannung zwischen den Leitungen
24 und 26
anzuwachsen, und an einem bestimmten Punkt wird der Prozeß
umgekehrt und der Feldstrom wird veranlaßt, abzunehmen. Das verursacht eine Abnahme
der
Rückkopplungsspannung, was weiter einen stärkeren Anstieg der Steuerspannung hervorruft
und den Feldstrom auf Null herabdrückt. Diese Oszillation wiederholt sich in einem
Maße, das durch die Charakteristiken des Systems bestimmt ist, wie Zeitkonstante
des Reglers, Generators und- des Abgleichs des elektrischen Systems. Wenn die Rückkopplung
geeignet gewählt ist, ist der Regler bei allen anderen außer den extremen Bedingungen
des minimalen oder maximalen Feldstromes instabil. Die im Schaltbild gezeigte Kapazität
46 wird benötigt, um das Rückkopplungssignal zu vergrößern, wenn eine Stromänderung
beginnt. Die Ladung und Entladung dieser Kapazität erzeugt einen positiven oder
negativen Impuls an der Steuerschaltung, was. die Änderung des Feldstromes von Null
auf den vollen Wert oder umgekehrt beschleunigt. Der Gleichrichter 48 wird verwendet,
um zur Unterdrückung der überspannung beizutragen, wenn der Feldstrom plötzlich
auf Null abnimmt. Dieser Gleichrichter 48 schafft einen Weg für den Feldstrom während
der Zeit, wenn der Transistor TR 2 den Strom auf Null reduziert hat. Der Strom,
der während dieser Zeit fließt, wird durch die induzierte Spannung in der Feldspule
- bedingt durch den Zusammenbruch des Feldes - verursacht. Der Gleichrichter trägt
dazu bei, den Feldstrom in einem beträchtlichen Ausmaße zu glätten und hat eine
verbesserte Regelung des Generatorsystems zur Folge.
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Der hier dargestellte Regler arbeitet als Spannungsregler an,einem
Gleichstromgenerator oder an einem Wechselstromgenerator, dessen Ausgangsspannung
durch Gleichrichter gleichgerichtet wird und die dann als Gleichspannung Verwendung
findet. Weiter kann der dargestellte Regler verwendet werden, um einen Wechselstromgenerator
zu regeln, wenn ein Teil der Wechselstromenergie gleichgerichtet und so eine Fühleinrichtung
zur Regelung der Wechselspannung geschaffen wird. Wenn gewünscht, kann der gleichgerichtete
Strom als erregender Feldgleichstrom verwendet werden, wenn keine getrennte Gleichstromerregung
verwendet wird. Weiter ist es augenscheinlich, daß das gezeigte und beschriebene
regelnde System als Regler für andere Geräte wie sättigungsgesteuerte Drosseln in
z. B. magnetischen Regelgeräten zur Steuerung der Ausgangsleistung verwendet werden
kann, wenn die Steuerwicklung der Drossel durch den Leistungstransistor TR 2 in
bekannter Weise gesteuert wird.