DE1763740A1

DE1763740A1 - Elektrische Anlage mit einem Wechselstromgenerator

Info

Publication number: DE1763740A1
Application number: DE19681763740
Authority: DE
Inventors: Harland Jun Glen Eugene; Hanson Charles Geoffrey
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1967-09-19
Filing date: 1968-07-30
Publication date: 1971-12-02
Also published as: US3469168A; DE1763740C3; JPS4818283B1; FR1582683A; DE1763740B2; GB1174729A

Description

Patentanwalt Dipl.-lng. K. Walther

IBERLtN 19 1763740

> BolivaraMee 9 ^X Tel. 3044285

¥^/Yh-2378 30.7.68

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St₀A.

Elektrische Anlage mit einem Wechselstromgenerator

Die Erfindung "bezieht sich auf eine elektrische Anlage mit einem Wechselstromgenerator, dessen Auslasswicklung mit einem Brückengleichrichter verbunden ist, an dessen Gleichstromauslass eine Feldwicklung angeschlossen ist, wobei der Strom durch die !Feldwicklung durch einen Transistor gesteuert wird, der abhängig von einer, zwischen einem Anschlusspunkt eines Spannungsteilers und dem Gleichstromauslass des Brückengleichrichters liegenden Zenerdiode schaltet.

Es ist erwünscht, in der Steueranlage für V/echselstromgeneratoren mit Diodengleichrichtern, die zur Aufladung einer Batterie benutzt werden, vorzusehen, die

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Feldwicklung des Generators von der Batterie zu trennen, wenn die Anlage ausser Betrieb ist, damit sich die Batterie nicht über die Feldwicklung des Wechselstromgenerators entladen kann. Zu diesem Zweck hat man Feldrelais vorgesehen, die auf die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators ansprechen. Will man Relaiskontakte vermeiden, so kann der Strom zur Feldwicklung über mehrere Hilfsdioderi zugeleitet werden, die zusätzlich zu dem Hauptbrückengleichrichter angeordnet sind, wie dies beispielsweise durch die USA Patentschrift 3 217 229 vorgeschlagen ist. Die Hilfsdioden und einige der Dioden des Brückengleichrichters können verwendet werden, um der Feldwicklung und dem Spannungsabfühler Strom zuzuleiten. Die abgefühlte Spannung ist jedoch kein genauer Messwert für die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators, da die Unterschiede in den Spannungsabfällen in den Hilfsdioden und in den Dioden des Brückengleichrichters, die die Batterie aufladen, und elektrische Abnehmer eines Kraftfahrzeugs versorgen, bestehen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, kann der Spannungsabfühler dauernd mit der Batterie und den Ausgangsklemmen des Brückengleichrichters verbunden sein und ein besonderer Kreis für die Feldwicklungdes Wechselstromgenerators verwendet werden, der die Hilfsdioden enthält.

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Diese Trennung des Spannungsfühlers von der Yersorgung der Feldwicklung kann aber zu Schwierigkeiten führen, wenn der Haupfbrückengleichrichter von der Batterie getrennt wird oder der Spannungsfühler von der Batterie und dem Brückengleichrichter getrennt wird. !Tritt dies beim Spannungsfühler ein, so fühlt dieser keine Spannung ab. Wird die Batterie vom Brückengleichrichter getrennt, so kann der Spannungsfühler nur die Batteriespannung abfühlen. In beiden Fällen veranlasst die Steueranlage ein Aufrechterhalten der Felderregung. Da die Feldwicklung ihren Strom über die Hilfsdioden vom Generator selbst erhält, kann dieser eine anormal hohe Spannung liefern, die die Steueranlage und die Dioden zerstören könnrd>

Bei einer bekannten Anordnung (USA Re. Patent 24 715) werden zum Spannungsabfühlen zwei Zenerdioden benutzt, die den Strom durch die Feldwicklung steuern. Die Anordnung enthält aber lediglich einen Hauptbrückengieichrichter. Ist der Strom vom Brückengleichrichter ausreichend, um die Batterie aufzuladen, so wird die eine Zenerdiode leitend, während die andere Zenerdiode leitend wird, wenn die abgefühlte Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Bei dieser Anordnung übernimmt aber nicht die eine Zenerdiode die Steuerung, wenn die andere sperrt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile in einfacher Weise zu überwinden.

Eine elektrische Anlage der eingangs erwähnten Art kennzeichnet sich durch einen zweiten Kreis, der das Schalten des Transistors steuert, wenn die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters den Sollwert um einen bestimmten Betrag übersteigt. Der zweite Kreis ist also auf eine höhere Generatorausgangsspännung abgestimmt als der erste Abfühlkreis und wenn auf Grund der eingangs geschilderten Verhältnisse eine anormal hohe Generatorspannung erzeugt wird, hält der zweite Kreis diese Spannung auf einen erträglichen Wert, der Teile der Steueranlage nicht zerstören kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Kreis wirksam wird, wenn die die Zenerdiode des ersten Spannungsabfühlkreises erreichende Spannung unzureichend für deren Zusammenbrechen ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der zweite Kreis eine Zenerdiode enthält.

Die Erfindung wird an Hand des beigefügten Schaltbildes näher erläutert.

Eine Gleichstromquelle 10, die aus einem Wechselstromgenerator mit einem Diodengleichrichter besteht, wird zur Aufladung einer Batterie und zur Versorgung elektrischer

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Verbraucher eines Kraftfahrzeugs verwendet, wenn der Wechselstromgenerator durch die !Fahrzeugantriebsmaschine angetrieben wird. Der Wechselstromgenerator hat eine dreiphasige in Stern geschaltete Ausgangswicklung 12, die mit den Wechselstromeingangsklemmen eines Dreiphasen-Doppelweggleichrichters 14 verbunden sind, welcher positive Dioden 16 und negative Dioden 18 enthält. Die Kathoden der positiven Dioden 16 sind mit einer G-leichstromausgangsklemme 20 verbunden. Die Anoden der Dioden 18 sind unmittelbar geerdet. Die zwischen der Ausgangsklemme 20 und Erde herrschende Spannung wird zur Aufladung der Batterie 22 verwendet, die über einen Leiter 24 angeschlossen ist. Elektrische Verbraucher des Fahrzeugs, die nicht dargestellt sind, werden ebenfalls zwischen den Leitern 24 und Erde geschaltet.

Der Wechselstromgenerator hat eine Feldwicklung 26, die die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators steuert. Erhöht sich der Strom durch die Feldwicklung 26, so steigt die Ausgangsspannung des Generators, während bei Verringerung des Stromes durch die FeldwidLung die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators fällt. Die Steueranlage steuert den Feldstrom, um eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung der Stromquelle 10 aufrecht zu erhalten.

Der Spannungsregler 30 der Steueranlage ist als Transistoranlage aufgebaut und enthält eine Spannungsabfühl-

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klemme 32, eine geerdete Klemme 34 und Klemmen 36, 38 und 40, die an die drei Phasen der Wechselstromgeneratorauslasswicklung 12 und die Wechselstromeingangsklemmen des Brückengleichrichters 14 angeschlossen sind. Eine Anschlussklemme 42 liegt in einem Kreis, der zur anfänglichen Erregung der Feldwicklung 26 des Wecheelstromgenerators dient und der zugleich eine Anzeige vermittelt, ob die Stromquelle 10 ordnungsgemäss arbei-tet.

Die Anschlussklemme 32 ist über einen leiter 46 mit einem Anschlusspunkt 44 verbunden. Ein erster Spannungsabfühlkreis 47 liegt zwischen der Anschlussklemme 32 und Erde und spricht demzufolge auf die Spannungsdifferenz zwischen dem Anschlusspunkt 44 und Erde an. Dieser Spannungsabfühlkreis ist als Spannungsteiler ausgebildet und besteht aus einem Thermistor 48, der parallel zu einem Widerstand 50 liegt, und in Reihe zu diesen liegenden Widerständen 52 und 54 und einem Widerstand 56 kleineren Werts, der mit der geerdeten Anschlussklemme 34 verbunden ist. Dieser Spannungaabfühlkreis 47 hat einen verhältnismässig grossen "Widerstand und gestattet daher von der Batterie 22 nur einen geringen Leckstrom, der jedoch dauernd flieset.

Der Spannungsabfühlreis 47 ist von einem Kreis getrennt, der den Strom zur Feldwicklung 26 leitet.

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Ein Anschlusspunkt 58 im Spannungsabfühlkreis 47 ist mit Widerständen 60 und 62 und einem Kondensator 64 verbunden. Der Widerstand 62 liegt über einen Leiter 100 in R_eihe mit einer Zenerdiode 66, die mit der Basiselektrode eines NPN-Transistors 68 verbunden ist. Die Emitter-Elektrode des Transistors 68 ist mit der Basiselektrode eines weiteren ITPN-Transistors 70 verbunden. Die Kollektorelektroden dieser beiden Transistoren 68 und 70 sind in einem Anschlusspunkt 52 zusammengeführt. Die Emitter-Elektrode des Transistors 70 ist mit einem Leiter 74 verbunden, während mit dem Anschlusspunkt 72 ein Widerstand 76 verbunden ist.

Der Anschlusspunkt 72 ist über eine Dicc.e 80 mit der Basiselektrode eines weiteren NPN-Transistors 78 verbunden, der den Strom für die Feldwicklung 26 ein- und ausschaltet. Zwischen der Basiselektrode und der Emitter-Elektrode des Transistors 78 liegt ein Widerstand 81.

Der Strom zur Feldwicklung 26 wird durch Dioden 82 zugeleitet, deren Anoden mit den Phasen der Auslasswicklung 12 des Wechselstromgenerator verbunden sind und deren Kathoden zusammengefasst mit einem Leiter 84 verbunden sind, der zu einem Anschlusspunkt 86 führt. Der Kreis für die Erregung der Feldwicklung 26 läuft daher von der Ausgangswicklun.j 12 über die Dioden 82, den Leiter 84, die FeId-

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wicklung 26, den Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors 78, den Widerstand 56 zur Erde und von dieser über die Dioden 18 zur Ausgangswicklung 12 zurüäck. Der Leiter 84 und Erde können als die Anschlussklemmen für den Feldstrom angesehen werden.

Die Dioden 82 liefern keine Spannung zum Spannungsabfühlkreis 47. Die Dioden 16 und 18 liefern einen verhältnismässig grossen Strom zu den elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs einschliesslich der Batterie 22 und falls die Dioden 82 zusammen mit den Dioden 18 sowohl zur Versorgung der Feldwicklung als auch des Spannungsabfühlkreises verwendet würden, ergäbe sich ein ungenauer Messwert für die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators infolge der unterschiedlichen Spannungsabfälle in den Dioden des Brückengleichrichters 14, die verhältnismässig grosse Ströme führen und in den Dioden 82, die nur verhältnismässig geringe Ströme leiten.

Die Spannung zwischen dem Anschlusspunkt 58 und Erde ist ein Teil der Spannung, die zwischen dem Anschlusspunkt 44 und Erde erscheint und diese Spannung ist eine Funktion der Auslasspannung der Stromquelle 10. Wenn diese Spannung einen bestimmten Sollwert übersteigt, beispielsweise 14 Volt in einer 12 Volt-Anlage, so bricht die Zenerdiode 66 zusammen und leitet einen BasisBtrom zu den Transistoren 68

und 70, die damit leitend werden» Bei leitendem Transistor 70 fällt die Spannung am Anschlusspunkt 72, so dass der Transistor ^8 in dem nichtleitenden Zustand vorbelastet ist und den Feldstrom abschaltet. Fällt nun die Ausgangsspannung der Stromquelle 10, so verringert sich die der Zenerdiode 66 zugeleitete Spannung, so dasB diese wieder sperrt, wodurch die Transistoren 68 und 70 nichtleitend werden. Damit erhöht sich die Spannung am Anschlusspunkt 72, so dass der Transistor 78 in den leitenden Zustand umgeschaltet wird. Hierdurch wird der Strom durch die Feldwicklung 26 wieder eingeschaltet und der erhöhte Feldstrom bedingt eine Erhöhung der Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators. Der Transistor 78 pendelt dauernd zwischen der Ein- und Ausschaltstellung und hält hierdurch im wesentlichen eine konstante Ausgangsspannung der Stromquelle 10 aufrecht, und zwar auf einen Wert, der zum laden der Batterie 22 geeignet ist.

Diese Steueranlage arbeitet solange einwandfrei, als der Spannungsabfühlkreis 4-7 die normale Ausgangsspannung der StromquäLle 10 abfühlt. Wenn aus irgend einem Grunde der Spannungsabfühlkreis 47 nicht auf die Ausgangsspannung der Stromquelle 10 anspricht, so wird der Transistor 78 stets in den leitenden Zustand vorbelastet, so dass der Feldwicklung 26 dauernd Strom über die Dioden 82 zufliesst, woraus sich hohe Spannungen am Wechselstromgenerator ergeben, die die Bauteile der Steueranlage und die Dioden zerstören könnten.

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Löst sich beispielsweise der Leiter 24 von der Gleichstromauslassklemme 20, so fühlt der Spannungsabfühlkreis 47 lediglich die Batteriespannung ab und da der Sollwert der Steueranlage auf eine höhere Spannung als Batteriespannung abgestimmt ist, wird eine zu niedrige Spannung abgefühlt und damit das Ansprechen auf die Ausgangsspannung der Stromquelle 10 verhindert.

Löst sich die Anschlussklemme 32 vom Leiter 46 oder vom Anschlusspunkt 44, so erhält der Spannungsabfühlkreis 47 keine Spannung und die Steueranlage bringt den Transistor 78 in den leitenden Zustand, woraus sich die gleichen Folgen wie oben erwähnt ergeben.

TJm die Steueranlage gegen derartige Schaden zu sichern, ist ein zweiter Spannungsabfühlkreis vorgesehen, der die Spannung zwischen dem Anschlusspunkt 86 und Erde abfühlt. Dieser zweite Spannungsabfühlkreis enthält eine Zenerdiode 88, Widerstände 90, 92, 94, und 96 und einen Kondensator 98. Die Zenerdiode 88 liegt zwischen dem Leiter 100 und dem Widerstand 96, während das eine Ende des Widerstandes 90 geerdet ist.

Der Leiter 100 stellt somit eine gemeinsame Verbindung der Zenerdioden 66 und 88 dar und ist mit der Basiselektrode des Transistors 68 verbunden.

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Beim Austreten einer hohen Spannung unter den oben geschilderten Umständen, die den Sollwert,auf den der erste Spannungsabfühlkreis 4f abgestimmt ist, übersteigt, erreicht die Spannung zwischen dem Anschlusspunkt 86 und Erde einen ¥ert, der das Zusammenbrechen der Zenerdiode 88 veranlasst, wodurch die Transistoren 63 und 70 vorwärts belastet werden und den Transistor abschalten. Fällt nunmehr die Spannung der Stromquelle 10, so gelangt die Zenerdiode 88 wieder in den sperrenden Zustand und bewirkt das Einschalten des Transistors 78 und damit des Stromes durch die Feldwicklung 26. Der Transistor 78 wird nun durch die Zenerdiode 88 gesteuert ein- und ausgeschaltet, um eine Ausgangs spannung «^es Wechselstromgenerators aufrecht zu erhalten, die etwas über dem Sollwert liegt, auf den der erste Abfühlkreis 47 abgestimmt ist.

Die Zenerdiode 88 steuert die Transistoren 68, 70 und 78 in der gleichen Weise wie diese von der Zenerdiode 66 gesteuert werden mit der Ausnahme, dass die Zenerdiode 88 bei einer Ausgangs spannung der StromqueLle 10 zusammenbricht, die etwas höher als die Zusammenbruchspannung der Zenerdiode 66 ist.

Die Widerstände 94 und 96 und der Kondensator stellen einen elektrischen Filter für die Anlage dar und gewährleisten eine Stabilität des Kreises. Die Widerstände

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60 und 62 und der Kondensator 64 haben dieselbe Wirkung bezüglich der Zenerdiode 66.

Die Diode 102 stellt einen Entladungsweg für die Feldwicklung 26 dar, wenn der Transistor 78 abgeschaltet ist.

Die Anlage enthält eine Anzeigelampe 104, die parallel zu einem Widerstand 106 liegt. Diese beiden Elemente liegen in Reihe mit einem Zündschalter 108 und der Anschlussklemme 42. Die eine Seite des Zündschalters 108 liegt an einem Anschlusspunkt 110 des Leiters 24, der an die positive Klemme der Batterie 22 angeschlossen ist.

Wird die Fahrzeugmaschine angelassen, so wird der Zündschalter 108 geschlossen und die Feldwicklung 26 wird anfänglich von der Batterie 22 über die parallel zueinander liegende Signallampe und den Widerrstand 106 über den Anschlusspunkt 42, den Leiter 84, die Feldwicklung 26, den Transistor 78 und den Widerstand 56 zur Erde erregt. Hierbei leuchtet die Signallampe 104 auf. Kommt der Wechselstromgenerator auf Spannung, wenn er von der Antriebsmaschine des Fahrzeugs angetreiben wird, so werden die Spannungen an beiden Seiten der Signallampe 104 im wesentlichen gleich, da die Dioden 82 vorgesehen sind. Es erlischt hierauf die

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Signallampe 104. liegen irgendwelche Fehl-rer in der Anlage vor, die die Spannung am Anschlusspunkt 86 absenken, so leuchtet die Signallampe 104 auf, um diesen Fehler anzuzeigen.

Bei der anfänglichen Erregung der Feldwicklung 26 ist der Transistor 78 eingeschaltet, da er flbrar dauernd mit dem Spannungsabfühlkreis 47 über die Batterie verbunden ist.

Obwohl die Steueranlage im Ausführungsbeispiel als Transistoranlage ausgebildet ist, kann sie auch bei anders augebildeten Steueranlagen für die Ausgangsspannung von Generatoren Verwendung finden.

Ist der Zündschalter 108 geöffnet, so ist der einzige Entladungsweg für die Batterie 22 über den Spannungsabfühlkreis 47.1-st die Steueranlage abgeschaltet, so verhindern die Dioden 16 und 18,die Siliciumdioden sind, eine Entladung der Batterie über die Ausgangswicklung 12 des Wechselstromgenerators oder die Feldwicklung 26, da diese über die Dioden 82 und 18 angeschlossen ist.

Wenn auch die Steueranlage aus verdrahteten Einzelhalbleiterelementen aufgebaut werden kann, so ist vorteilhaft doch zweckmässig,diese Bauteile zu einer geschlossenen Baueinheit zusammenzufassen.

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Werden einwandfreie Verbindungen in der elektrischen Anlage des ersten Spannungsabfühlkreises einschlifflslich der Zenerdiode 66 aufrechterhalten, so wird der zweite Spannungsabfühlkreis mit der Zenerdiode 88 nicht zur Wirkung kommen. Wird diese wirksam, so steuert der zweite Spannungsabfühlkreis über die Zenerdiode 88 eine etwas höhere Ausgangsspannung am Wechselstromgenerator.

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Claims

Patentansprüche ι

1« Elektrische Anlage mit einem Wecheeletromgenerator, dessen Auslassyicklung mit einem Brückengleichrichter verbunden ist, an dessen. Gleichstromauslae« eine Feldwicklung angeschlossen ist, wobei der Strom durch die Feldwicklung durch einen Transistor gesteuert wird, der anhängig von einer, zwischen einem Anschlusspunkt einet Spannungsteilers und dem Grleichstromanschluss des Brücken-Gleichrichters liegenden Zenerdiode schaltet, gekennzeichnet durch einen zweiten Kreie (83 - 98), der das Schalten des Transistors (7^) steuert, wenn die AuBgangBSpaitaung äe>i Brückeagleichrichters (14, 82) den Sollwert um einen bestimmten Betrag übersteigt.
2. Elektrische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreis (33 - 93) wirksam wird, wenn die die Zenerdiode (66) des ersten Spannungsablühlkreisee (47) erreichende Spannung unzureichend für deren Zusammenbrechen ist,
3. Elektrische Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kreiß (88 - 98) eine Zenerdiode (88) enthält.

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