DE1815617C3 - Einrichtung zum Entregen von Generatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Entregen von Generatoren nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zum Schutz von Stromkreisen vor Überlastungen, insbesondere von Strömen und Spannungen, die einen vorgeschriebenen Höchstwert übersteigen, sind Sicherungselemente bekannt, die den zu schützenden Stromkreis öffnen und so den Verbraucher vor Schaden bewahren. Im einfachsten Fall finden dafür Schmelzsicherungen Verwendung, aber auch Schaltschütze oder ähnliche Geräte haben sich bewährt. Zum Schutz von Halbleiterspannungsreglern von Generatoren, insbesondere von Drehstrom-Generatoren und von Fahrzeugbatterien, sind jedoch solche Sicherungselemente nicht geeignet. Das hat folgenden Grund: 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 Reglers, der beim Ansteigen der zu regelnden Generator-Ausgangsspannung über einen oberen Grenzwert die Stromzufuhr zur Erregerwicklung unterbricht und sie beim Absinken der Spannung unter einen unteren Grenzwert wieder herstellt (Zweipunktregler). Unterbricht die Regleranordnung infolge eines Fehlers den Erregerstrom nicht, wenn die Generator-Ausgangsspannung den oberen Grenzwert erreicht hat, dann steigt diese Spannung entsprechend der Läuferdrehzahl weiter an, und zwar bis zu unzulässig hohen Warten. Diese Gefahr besteht vor allem bei Reglern, die zum Steuern des Erregerstromes einen steuerbaren Halbleiter verwenden, beispielsweise einen Transistor, da hier immer mit einem gewissen Anteil von fehlerhaften Halbleitern gerechnet werden muß; diese werden dabei durch das Durchlegieren ihrer Emitter-Kollektor-Strecken ständig leitend.

Steigt die Generator-Ausgangsspannung über einen zulässigen Höchstwert, dann besteht die Gefahr, daß die Fäden der Fahrzeuglampen durchbrennen, daß die Fahrzeugbatterie überladen wird und daß die Baüerieflüssigkeit verdampft Die Folgeschäden nach einem Defekt im Spannungsregler können also erheblich sein.

Sicherungsvorrichtungen, die auf einen Überstrom *> reagieren, sind in diesem Fall ungeeignet, denn die Differenz zwischen dem im Normalfall fließendes Strom und dem Strom, der bei Überspannung fließt, ist zu gering, um ein Sicherungselement funktionssicher zu steuern. Bekannt für diesen Fall sind Anordnungen, die zum Vermeiden der obengenannten Schaden im Gefahrenfall den Erregerstrom beispielsweise mit Hilfe eines Überspannungsrelais abschalten; diese mechanischen Anordnungen sind jedoch selbst störanfällig und für viele Anwendungsfälle zu groß und dazu teuer. Man hat deshalb nach Sicherungsvorrichtungen gesucht, die bei Überspannung die Generator-Ausgangsspannung kurzschließen und damit auch den Erregerstrom zum Versiegen bringen. Eine schon bekannte Schaltungsanordnung mit einem Thyristor erfordert aber sehr viele einzelne Schaltelemente und nimmt sehr viel Raum in Anspruch.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die mit geringem Aufwand und mit einem selbst nicht störanfälligen Schallmittel einen Kurzschluß zwischen ihren Anschlußklemmen herstellt, sobald die an diesen Anschlußklemmen liegende Spannung einen zugelassenen Höchstwert übersteigt.

Eine einfache und wirkungsvolle Lösung dieser Aufgabe wird mit einer Einrichtung mit den kennzeich- ^M nenden Merkmalen des Hauptanspruchs erreicht.

Die Anordnung eines erfindungsgemäßen zweipoligen Schaltelements an den Ausgangsklemmen eines Generators parallel zu den Eingängen des zugehörigen Spannungsreglers schafft eine Schutzvorrichtung, die mit geringem schaltungstechnischem Aufwand und auf sichere Weise den Erregerstrom abschaltet, wenn infolge eines Defektes im Spannungsregler die Generator-Ausgangsspannung unzulässig hohe Werte erreicht. Auf besonders einfache Art werden so die gefürchteten Folgeschäden von Oberspannungen im Bordnetz verhindert. Die vorliegende Erfindung schafft ein sehr einfach aufgebautes, betriebssicheres und raumsparendes Sicherungselement, das bei über einem vorgegebenen Wert liegenden Spannungen einen Stromkreis bleibend kurzschließt.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt
F i g. 1 den Stromlaufplan eines Spannungsreglers zum Regeln der Ausgangsspannung eines Drehstrom-Generators mit einem zweipoligen elektrischen Schaltelement und

Fig. 2 den elektrischen Aufbau eines zweipoligen Schaltelements nach der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung ist — bis auf das Schaltelement 21 — bekannt. Sie soll daher nur kurz beschrieben werden. Ein Drehstrom-Generator 10 hat drei Wechselstromwicklungen 11, 12, 13 und eine Erregerwicklung 14, drei Minusdioden 15, drei Plusdioden 16, eine an Masse angeschlossene Minusleitung 17, eine erste Plusleitung 18 und eine Sammlerbatterie 19.

Eine zweite Plusleitung 22 ist über drei Erregerdiodeii 23 an die Wechselstromwicklungen 11 bis 13 ange-¹^ schlossen. Zwischen den Leitungen 22 und 17 ist ein zweipoliges elektrisches Schaltelement 21 nach der Erfindung angeschlossen. Auch der Spannungsregler ist in bekannter Weise aufgebaut und enthält einen

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Widerstand 24, einen Verbindungspunkt 25, einen Widerstand 26, einen als Abgriff 27 dienenden Verbindungspunkt, einen Widerstand 28 und einen Glättungskondensator 29, der kürzzeitige Spannungsschwankungen zwischen den Leitungen t7 und 22 glättet. Weiter sind vorgesehen eine Zenerdiode 32. ein als Steuertransistor dienender npn-Tr.msistor 33, ein zweiter npn-Transistor 34, ein Widerstand 35, ein Widerstand 36, ein Widerstand 37 und eine Diode 38. Zwischen der Leitung 22 und der Plusleitung 18 liegt die SerienschaltUiig einer Ladeanzeigelampe 40 und eines Zündschalters 41. Die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung ist an sich ebenfalls bekannt. Neu ist dagegen die Funktion in Verbindung mit dem Schaltelement 21. Sollte der Transistor 34 aus irgendeinem 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 des Generators 10.

Das zweipolige Schaltelement 21 ist in Fig.2 im einzelnen dargestellt. Zwischen seiner ersten Anschlußklemme und seiner zweiten Anschlußklemme 46 liegt die Schaltstrecke eines Transistors 47, wobei der Kollektor des Transistors 47 mit der ersten Anschlußklemme 45 verbunden ist. Zwischen der Basis des Transistors 47 und der ersten Anschlußklemme 45 liegt eine Zenerdiode 48, deren Kathode der eisten Anschlußklemme 45 zugewandt ist. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 47 ist mit einem Widerstand 49, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 47 mit einem Kondensator 51 überbrückt.

Das zweipolige Schaltelement 21 ist in der Schaltungsanordnung des Spannungsreglers so angeordnet, daß die erste Anschlußklemme 45 der Plusleitung 22 und die zweite Anschlußklemme 46 der Minusleitung 17 zugewandt ist.

Ist als Batterie 19 ein Akkumulator mit der Nenn-Zellenspannung 12 Volt eingebaut, so beträgt im normalen Betrieb die höchste Ladespannung etwa 14,5 Volt. Bis zu diesem Spannungswert weist das zweipolige Schaltelement 21 einen sehr hohen Innenwiderstand auf. Übersteigt aber — beispielsweise infolge eines Defektes in dem Spannungsregler 39 — die Ladespannung diesen Höchstwert um einen bestimmten Betrag, dann sinkt der Innenwiderstand des zweipoligen Schaltelements auf einen sehr kleinen Wert. Dies, hat

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45 folgenden Grund: Die Zenerspannung der Zenerdiode 48, also diejenige Sperrspannung, oberhalb der die Diode 48 durchbricht, ist so bemessen, daß sie etwa 2 Volt über der höchsten Ladespannung liegt. Erreicht im Schadensfall die über den beiden Anschlußklemmen 45, 46 liegende Spannung einen Wert, der die Summe aus der Zenerspannung der Diode 48 und der zur Aussteuerung des Transistors 47 erforderlichen Basis-Emitter-Spannung übersteigt, so bricht die Zenerdiode 48 durch und steuert den Transistor 47 in seinen leitfähigen Zustand. Weil dieser Transistor 47 nun an der — zu hohen — Ladespannung ohne jeden in Serie mit seiner Schaltstrecke liegenden Schutzwiderstand betrieben wird, nimmt der über die Kollektor-Emitter-Strecke fließende Strom sehr hohe Werte an. infolgedessen wird das Transistorelement 47 auch sehr stark erwärmt. Die Wärme, die bei der örtlichen Erhitzung des Halbleiterelements entsteht, kann nicht genügend schnell abgeführt werden, so daß die Kollektor-Emitter-Strecke durchlegiert. Dieser Vorgang ist irreversibel. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 47 weist dann also einen sehr kleinen ohmschen Widerstand auf, der sich nicht mehr wesentlich ändert.

Der Widerstand 49 dient dazu, im normalen Betrieb die Basis des Transistors 47 auf den Emitter zu beziehen, den Transistor 47 also gesperrt zu halten. Der Kondensator 51 hat die Aufgabe, Spannungsspitzen abzufangen, die über dem zweipoligen Schaltelement auftreten können und unbeabsichtigt bereits ein Auslösen des Sicherungselements bewirken würden. Alle die Elemente 47, 48, 49, 51 können in der integrierten Schaltungstechnik auf einem Chip untergebracht werden.

Wenn nun im Schadensfall das zweipolige Schaltelement 21 bleibend einen sehr geringen Durchlaßwiderstand aufweist, bricht die Ausgangsspannung des Generators 10 zusammen, der Strom durch die Erregerwicklung 14 nimmt ab und die Lichtmaschine entregt sich somit selbsttätig. Über die Ladekontrollampe 40 — die nun aufleuchtet — fließt ein Strom von dem Pluspol 18 der Batterie 19 über den durchlegierten Transistor 37 einerseits und die Erregerwicklung 18 sowie die Regleranordnung andererseits zum Minuspol 17.

Der geschilderte Vorgang ist nicht rückgängig zu machen. 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Entregen von Generatoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, bei Überspannung, die im regulären Betriebszustand einen hohen Innenwiderstand aufweist und bei einer an ihren Anschlußklemmen anliegenden, über einen vorgegebenen Wert hinausgehenden Spannung ihren Innenwiderstand in Richtung auf einen kleineren Wert bleibend verändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Transistor (47) enthält, der über eine Schwellwertanordnung (48) angesteuert ist und der im leitenden Zustand durchlegiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertanordnung (48) als Zenerdiode ausgebildet ist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Anschlußklemme (45) der Einrichtung mit dem Kollektor des Transistors (47) und der Kathode der Zenerdiode (48), die zweite Anschlußklemme (46) der Einrichtung mit dem Emitter des Transistors (47) und die Anode der Zenerdiode (48) mit der Basis des Transistors (47) verbunden ist.