DE1638068A1 - Spannungskonstanthalter - Google Patents

Description

• Spannunßskonstanthalter Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungskonstanthalter zur Verwendung in Batterieladevorriehtungen für Straßenfahrzeuge, welcher Spannungskonstanthalter einen Leistungstransistor, der im Betrieb in Reihe mit der Feldwicklung des"Fahrzeuggenerators geschaltet ist, und eine Einrichtung besitzt, um den durch den Leistungstransistor fließenden Strom entsprechend der Spannung der Batterie zu regeln, wobei diese Einrichtung einen Steuertransistor umfaßt, der, in seinem leitenden Zustand den Basisstrom des Haupt- oder Leistungstransistors herabsetzt. Spannungskonstanthalter werden nach zwei Arten gebaut, nämlich einmal nach der Art eines Verstärkers und zum anderen nach der Art eines Schalters. In beiden Fällen ist der Leistungstransistor unterhalb einer vorbestimmten Batteriespannung in vollem Umfang leitend, aber bei der vorbestimmten Batteriespannung leitet der Steuertransistor. Darüber hinaus ist bei beiden Arten eine zweite, höher festgelegte Batteriespannung vorgesehen, bei welcher der Steuertransistor in vollem Umfange leitet und der Leistungstransistor abgeschaltet ist. Bei Spannungskonstanthaltern vom Verstärkertyp arbeitet die Schaltung zwischen diesen beiden vorbestimmten Spannungen als Verstärkerschaltung, wobei der Steuertransistor allmählich seinen Strom vergrößert und der Leistungstransistor allmählich seinen Strom verringert. Bei den-als Schalter arbeitenden Spannungskonstanthaltern ist eine Rückkopplung derart vorgesehen, daß im Bereiah zwischen dies w, vorbestimmten Span-

  nungen die Transistor w. 1.-endeln zxsen einem Zustand, bei

  dem der ä teuertransistor In vollem Umfang leitend und der

  Leistungstransistor gesperrt ist, iwr:d einem zweiten Zustand,

  bei dem der Steuertransistor gesperrt i,«-;t und der Leistungs-

  transistor in vollem Umfang leitet. Zwischen den vorbestimm.

  ten Spannungen ändert-sich das Tastverhältnis derart, daß

  der durohsew#ini etliche Stromfluß in der Feldwicklung mit

  Ste!ig:>y-`_=S#'=3zng abnimmt.

  _,.#@,iungen haber gezeigt, dag Spxnnungakonstaathalter

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  geat®llt, daß das eprurghafte Arbe-`e6n von dem@d.tzga-

  widerstand der Schaltung des Spannungskonstanthalters in der Ladevorrichtung herrührt. So wurde beim Verstärkertyp festgestellt, daß von Zeit zu Zeit ein Sehmitt-Trigger-Yorgang zwischen den Transistoren abläuft derart, daß der Leistungstransistor entweder einen leitenden oder einen gesperrten Zustand annimmt, wenn er an sich als ein Verstärker arbeiten soll. In ähnlicher Weise kann bei einem Spannungskonstanthalter vom Schaltertyp durch den.Schmitt-Trigger-Effekt bewirkt werden, daß der Leistungstransistor in leitendem oder gesperrtem Zustand bleibt, wenn er an sich schwingen soll. In beiden Fällen erbringt der Spannungskonstanthalter keine Regelung im Bereich zwischen den vorbestimmten, eingangs erwähnten Spannungen; vielmehr führt der Schmitt-Trigger#Effekt dazu, daß die geregelten Spannungen zwischen Werten pendeln, die ausreichend weit auseinander liegen, um ein Flackern von Fahrzeuglampen zu bewirken.
• Es wurde festgestellt, daß für eine gegebene Differenz zwischen den erwähnten vorbestimmten Spannungen ein zulässiger maximaler Wert für den Leitungswiderstand gegeben ist, oberhalb dessen der Sehmitt-Trigger-Effekt auf.. tritt. Aus diesem Grund kann ein Spannungskons tahthalter, der ohne Kenntnis des möglichen Schmitt-Trigger-Effektes" entwickelt worden ist, bei einer bestimmten Ausbildung von Straßenfahrzeugen befriedigend arbeiten, aber kann derselbe Spannungskonstanthalter bei Verwendung in einem anderen Fahrzeug zu einem sprunghaften Arbeiten neigen, wenn seine Anordnung im neuen Fahrzeug unter Verwendung längerer Anschlußleitungen vorgenommen wird, durch weld,he der Widerstand bis auf einen Wert erhöht wird, bei dem der Schmitt-Trigger-Effekt auftritt. Ferner besteht die noch schlimmere Möglichkeit, daß bei einer Fahrzeug-Verdrahtung von gegebenem Widerstand einige Spannungskonstanthalten befriedigend arbeiten können, während andere Spannungskonstanthalter desselben Typs instabil sein können. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Differenz zwischen den erwähnten vorbestimmten Spannungen von den Verstärkungsfaktoren der Transistoren abhängt, welche veränderlich sind. Folglich kann-es also bei einem festen Wert des Leitungswiderstandes von den Verstärkungsfaktoren der Transistoren abhängen, ob der Spannungskons tanthalter befriedigend arbeitet oder nicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungskonstanthalter zu schaffen, welcher befriedigend arbeitet, so lange derLeitungswiderstand unter einem vorbestimmten, berechenbaren Wert liegt. Bei einem Spannungskonstanthalter der beschriebenen Art wird dies der Erfindung zufolge dadurch erreicht, daß eine Gegenkopplung vorgesehen wird, um den Gesamtverstärkungsfaktor des Spannungskonstanthalters-zu stabilisieren. Hierdurch wird die Differenz zwischen den beiden erwähnten vorbestimmten Spannungen exakt festgelegt und bleibt im wesentlichen konstant, In der Zeichnung ist anhand eines Spannungskonstanthalters von Schaltertyp ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
• Ein Synchrongenerator 11 versorgt über einen Vollweggleieh#-ric'nter 12 eine positive und eine negative Versorgungs-

  latung 13, 14, zwischen deren die Batterie 15 des Stra-

  ßenfahrzeuges geschaltet ist. Der Synchrengenora tmr ver-

  sorgt über drei zusätzliche Dioden 16 ferner eine positive

  Versorgungsleitung 17, welche :.m Betrieb sich im wesent-

  liehen auf demselben Potential wie die positive Loitung 13 befindet. Die Leitungen 17, 13 sind über eine Warnlampe 18 verbunden, welche in Reihe mit dem Zündschaltor 19 liegt. Ein Widerstand 20 ist parallel zur Lampe 18 geschaltet. Die von der Zündung gesteuerten Verbraucher des Fahrzeuges sind in Reihe mit dem Schalter 19 an die Batterie angeschlossen.
• Zwischen die Leitungen 13, 14 ist ein Paar von Widerständen 21, 22 in Reitle geschaltet, deren Widerstandswerte derart sind, daß der Strcmfluß vernachläseigbar isto- wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Bin zwiechmn den Widerständen 21, 22 liegender Punkt ist an die Kathode einer

  Zener-Diode 23 angeschlossen, deren Anode mit der Basis

  eines n®p-ri Transistors 25 verbunden ist, dessen gnitter

  an die leitung 14 angeschlossen ist. Der Kollektor des

  `@.9a@ii.or 25 ist über einen Widerstand 26 an die Lei#

  tTMig 17 aand ferner an die Basis eines n-p-z; Transistors 27

  @xgescf@@ossn, dessen Kollektor wiederum über einen Wider-

  stand 23 mit der Leitung 17 verbunden ist. Der Knitter des

  f-y,ansi stoss 27 ist mit der Basis eines ng-p-n Leistungs-

  t.r .-@@.sir Aars 29 verbunden. Der aitter des Transistors 29

  ist zoc,9 @Än.@@ Wlddrstand 24 an die Leitung 14 und sein

  js$@`le;,oö@ «ber die Feldwicklung 31 des Synchrongenerators

  2n Leitung 17 angeschlossen. Eine Diode #32 liegt pa-

  eT@ a._el@@ Wia°lung 31. Der Kollektor des Transistors 29

  i.z t ferner i:i?it der Basis Cles Transistors 25 über einen

  E-ückkopp? urgspfae verbumden, wel°@= in Reihe einen

  4i.derstand 33 und einen Kondensator ,,,4 enthält.

  Ferner ist ein Gegwnkopplungspfad vorgesehen, der von einem

  zwischen c,len Knitter des Transistors 29 und die Basis des

  Transistors 25 geh:-.-ltete@ Widerstand 30 gebildet wird.

  Wenn im B.sf. _ @@Viderstand 30 wird im Augenblick

  2ußer acht gelasse-.. - der Zündschalter 19 geschlossen

  wird, r""ierderi die Trans;9toren 27, 29 durch der über die

  Warnlampe 18 fließenden : trog eingencchal tet j welche

  auf l euchtetv Der vo'i ie Feldstrom fließt jetzt in

  Wicklung 31. Sobald der Synchrongenerator 11 einen Ausgang liefert, steigt das Potential der Leitung 17 auf das der Leitung 13 an, so daß die Warnly.nipe 18 erlöscht, obwohl die Transistoren 27a, 29 durch die Speisung über die Dioden 16 noch in Leitzustand gehalter. werden.
• Bei Erreichen einer vorbestimmten Sparnung wird die Zener-Diode 23 leitend, und der sich ergebende Basis-Anitteri-Strom im Transistor 25 bewirkt, daß ein Kollektorstrom im Transistor 25 fließt. Wenn dieser Kollektorstrom einen vorbestimmten Wert erreicht, wird von dem durch den Widerstand 26 fließenden Strom ein ausreichender Teil durch den Transistor 25 umgeleitet, uns die Einleitung eines Schaltvorganges zu bewirken. Durch den Schaltvorgang wird der Transistor 25 in vollem LTU: -W@e leitend, und werden die Transistoren 27, 29 gesperrt, so daß kein Feldstrom mehr fließt. Der Rückkopplungspfad über die Widerstände 33 und 34 stellt sicher, daß die Schaltung rasch umschaltet von einem Zustand mit leitendem Transistor 25 und gesperrten Transistoren 27, 29 in einem zweiten Zustande in dem die Transistoren 27, 29 leitend sind und der Transistor 25 gesperrt ist. Das Tastverhä.ltnis wird durch den durch die Zener-Diode 23 fließenden Strom bestimmt, welcher wiederum von der Spannung der Batterie abhängt, und die Anordnung ist derart getroffen, daß der mittlere Stromfluß in der Wicklung 31 die Batteriespannung auf .einem vorbestimmten Wert Mit. Wie bereits erläutert worden ist, ändert sich die Differenz zwischen den beiden vorbestimmten Spannungen abhängig vom Verstärkungsfaktor der Transistoren. Der Gegenkopplungspfad über den Widerstand 30 ist vorgesehen, um diese Differenz konstant zu halten derart, daß der maximal zulässige Wert des Leitungswiderstandes exakt festgelegt werden kann für den Spannungskonstanthalter. Unter der Annahme, daß an der Zener-Diode 23 ein Durchbruch stattgefunden hat, kann dann, wenn der Transistor 29 nicht leitend ist, über den Widerstand 21, die Zener-Diode 23, den Widerstand 30 und den Widerstand 24 Strom zu Leitung 14 fließen. Wenn der Transistor 29 leitend zu werden beginnt, steigt das Potential an seinem Irritter in Richtung auf das Potential der positiven Leitung 8, so daß der Stromfluß durch den Widerstand 30 verringert wird. Folglich steigt das Potential an der Verbindungsstelle der Widerstände 21, 22 an, und dieser Potentialanstieg ist darauf gerichtet, den Feldstrom zu verringern. Es ist leicht ersichtlich, daß bei dieser Anordnung der maximal zulässige Leitungswiderstand proportional dem Produkt der Widerstan dwerte der Widerstände 24, 21, dividiert durch den Wert des Widerstandes 30, ist.
• Wenn es auch nicht primär beabsichtigt ist, so erbringt die Anordnung des Gegenkopplungswiderstandes 30. ferner einen Schutz des Systems gegen einen Ausfall des Transistors 29 für den Fall, daß es bei der Feldwicklung 31 zu einem Kurzsehluß kommen sollte. In einem solchen Falle entsteht ein übergroßer Feldstrom, und.die SpannunW, am mitter des Transistors 29 stete an, bis sie einen Wert erreicht, bei dem sie den Transistor 25 einschalten und den Basisstrom vom Transistor 29 umleiten kann, Hierbei wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei welchem der Stromfluß durch den Transistor 29 in einer zulässigen Stärke vorliegt. Die Transistoren 25, 29 sind bevorzugt in enger thermischer Ber&6r#,eg angeordnet' so daß die Wärmeentwicklung im Transistor 29 zu einer Tcmperaturan. stieg beim Transistor 25 führt, wodurch dessen Easiw-ßnitter-Spannung verringert wird, was wiederum dazu frt, daß ein stärkerer Strom im Transistor 25 und damit also ein gerin.. gerer Strom im Transistor 29 fließt, Die Schaltung ist derart ausgelegt, daß ein Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei dem die Wärmeabgabe beim Transistor 29 in, einer zulässigen Größe liegt.
• Wenn die Temperatur der Batterie konstant wäre,-wUrde die Schaltung in der beschriebenen Weise zufriedenstellend arbeiten. In der Praxis schwankt jedoch unvermeidbar die Temperatur der Batterie, weshalb eine Temperaturkompen# sation erforderlich ist, Normalerweise wird eine zolche Temperaturkompensation durch Verwendung einen T'rxeistora erreicht, der parallel zum Widerstand 21 geachaltet wird

  derart, daß eine abfallende Steuerspannung bei ansteigender

  Temperatur erreicht wird. Wenn der Thermistor weggelassen

  wirdj liegt keine Temperaturkompensation. vor, und ist der

  Spannungskonstanthalter in seinem Arbeitsverhalten unbe-

  friedigend. Bei der dargestellten Schaltung wird eine

  Temperaturkompensation ohne Verwendung eines Thermistors

  erreicht, sofern die Größen der verschiedenen Bauteile

  richtig gewählt sind. Der Transistor 25 besitzt eine

  noLche Kennlinie, daß bei einem bestimmten @ollektorstrom

  die Basis-Fjaitter-Spannung, die zur Aufrechterhaltung

  des Uo? lektor stromßs erforderlich ist, mit der Temperatur

  abrrinc,#e, G ia die Regelung bei einem vorbestimmten Kollektor..

  stn,@ngt, kann dafür geson@gt werden, daß die Aus-

  des Synjhrongenerat-:@i"s sich verringert,

  wen- die Temperatur des Tr anslstor2 25 ansteigt, und eine

  solche Regelung kann erreicht wer=@,3n, sofern der Trans i-

  s ter 2°5 auf Temperaturen anspricht, welche in ausreichend

  enger Bez«J'.ehung zur Temperatur der Batterie stehen. Es

  wird jedoch bemerkt, daß zur Erzielung einer solchen Kom-

  pensation die Größe des Widerstandes 30, welcher zusätzlich

  zu seiner fegek@p;°;gsf`.@ti an die Basis-Dnitter-Span.

  ni-mg des 23 bestimmt, sorgfältig in Abhän»

  Sigkei.t vors derr°=@3Be dei Widerstandes 21 gewählt werden

  muß. Es konnte festgestellt werden,, daß elne befried#

  genda Größe für den Widerstand 30 gewählt werden kann,

  zo daß der Widerstand seine beiden Aufgaben zuz`riede,@ia

  stallend bist.

  Selbstverständlich hängen die elektrischen Größen beim Schaltungskreis von den speziellen Anwendungsfällen ab. Im folgenden sei jedoch für ein 12 Volt-System ein Beispiel angegeben

  Widerstand 21 1000 Ohm Zemer 23 - 8 Volt Zündpsannung

  Widerstand 22 3000 Ohm Transistor 25, 27 - Lucas TypeDT16

  Widerstand 24 .05 Ohm Transistor 29, -Lucas " DT32

  Widerstand 26 1000 Ohm Kondensator 34 .» 10,000Picofarad

  Widerstand 28 80 Ohm

  Widerstand 30 540 Ohm

  Widerstand 33 1000 Ohm

  Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Emitter des Transistors 27 ebenfalls über einen Widerstand an die Leitung 14 angeschlossen werden, und kann der Emitter des Transistors 29 unmittelbar mit der Leitung 14 verbunden werden. Der Gegenkopplungswiderstand 30 steht mit der Basis des Transistors 29 in Verbindung dem "Wittee. Bei dieser Anordnung wird die Gegenkopplung durch die Basis»Emitter-Kennlinie des Transistors 29 gesteuert, so daß der Emitter-Widerstand des Transistors 27 nicht kritisch ist und in bestimmten Anwendungsfällen weggelassen werden kann.
• Zwischen der Basis des Transistors 27 und dem Kollektor des Transistors 25 kann ein Widerstand 32 vorgesehen werden, welcher in Verbindung mit dem Transistor 25 eine Verhältnisstörung und Funkstörung verhindert. Der Kondensator kann zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 27 liegen, oder es können auch Kondensatoren zwischen den Basis- und Kollektorelektroden beider Transistoren 25, 27 vorgesehen werden.
• Wenn auch beim speziellen Ausführungsbeispiel ein Spannungskonstanthalter vom Schaltertyp gezeigt ist, so kann die Erfindung in einfacher Weise auch bei einem Spannungskonstanthalter vom Verstärkertyp angewendet werden, indem man die Bauteile 33, 34 wegläßt und die Schaltung derart auslegt und bemißt, daß der Transistor 29 als ein Verstärker arbeitet, wie zuvor beschrieben worden ist. Die Erfindung ist auch nicht auf Spannungskonstanthalter begrenzt, bei denen n-p-n Transistoren verwendet sind, sondern ebenfalls bei Spannungskonstanthaltern zu realisieren, die aus a p-n-p Transistoren oder aus Kombinationen von n-p-n und p-n-p Transistoren aufgebaut sind. Entsprechend der zahlreichen-Typen von Spannungskonstanthaltern, bei denen ein Leistungstransistor und ein Steuertransistor vorgesehen sind, können zahlreiche Abwandlungen gegenüber dem speziellen Ausführungsbeispiel vorgenommen werden, wobei in allen Fällen die Vorteile der erfindungsgemäß vor-. gesehenen Gegenkopplung erreicht werden, unabhängig davon, wie im einzelnen die Gegenkopplung vorgenommen worden ist.

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. pannungskonstanthalter zur Verwendung in Batterieladevorrichtungen bei Kraftfahrzeugen, mit einem Leistungs:, transistor, der im Betrieb in Reihe mit einer Feldwicklung des Fahrzeuggenerators liegt, und mit einer Einrichtung zur Steuerung des durch den Leistungstransistor fließenden Stromes in Abhängigkeit von der Batteriespannung, wobei diese Einrichtung einen Steuertransistor um.. faßt, der in leitendem Zustand den Basisstrom des Haupttransistors verringert, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskonstanthalter mit einer Gegenkopplung zur Stabilisierung des Gesamtverstärkungsfaktors des Spannungskonstanthalters ausgerüstet ist.
2. 2. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor in leitendem Zustand dahingehend wirkt, den Basisstrom vom Leitungstransistor zu entfernen, und daß die Gegenkopplung von der Basis des Leistungstransistors zur Basis des Steuertransistors geführt ist.
3. 3. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor in leitendem Zustand unmittelbar dahingehend arbeitet, den Basisotrom vom Leistungstransistor zu entfernen, und daß der Leistungs- transistor mit einem Enitter-Widerstand ausgerüstet ist, welcher die Gegenkopplung zur Basis des Steuertransi- stors erbringt. Sparmungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeictuiet, daß der Steuertransistor in leitendem Zustand den Basisstrom von einem dritten Transistor wegnimmt, über welchen der Basisstrom zum Leistungstransistor geliefert wird, und daß die Gegenkopplung von dem Dnit- ter des dritten Transistors zur Basis des Steuertran- sistors geführt ist. 5. Spanntuigskonstanthalter nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß der dritte Transittor einen ETlitter-Wider- stand besitzt, der das Gegenkopplungssignal liefert. Spannungskonstanthalter nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenkopplungs- signal über c.#inenn W2,derstand an die Basis des Steuer.. transistirs geleite' wird' 7. Spannttngskonstanth6.lter nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Widerstandswert des Gegenkoppltmgs- W-iderstandes im Verhältnis zur Kennlinie des Steuer- tranaistors und zu den anderen Schaltungskenngrößer, derart gewählt ist, daß die Batteriespannung, bei. welcher die Konstanthaltungbeginnt, sich mit der Temperatur in einer vorbestimmten, gewünschten Weise ändert. B. Spannungskonstanthalter nach irgendein ew der vorangegan#m genen Ansprüche, dadurch gekennzeickl.net, daß der Leistungstransistor als Verstärker arbeitet. 9. Spannungskonstanthalter nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplung vorgesehen ist, durch welche der Leistungstransistor nach Art eines Schalters arbeitet. 10. Spannungskonstanthalter nach irgene@oy_nem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor und der Steuertransistor in enger thermischer Berührung stehen. 11. Batterieladevorriehtung für eine Straßenfahrzeug, be## stehend aus'einer Batterie, aus einem Generator zum Laden der Batterie, welcher eine Feldwicklung aufweist, und aus einem Spannungskonatanthalter zur Steuerung des Stromflusses in der FeldAoklung, dadurch gekennzeieh» net, daß der Spannungskonstanthalter mit einer Gegen. kopplung ausgerüstet ist. .