DE3040459A1

DE3040459A1 - Spannungsregler fuer wechselstrom-, insbesondere drehstromgeneratoren zum aufladen einer batterie

Info

Publication number: DE3040459A1
Application number: DE19803040459
Authority: DE
Inventors: Marcel Bron Rhone Vogelsberger
Original assignee: Societe de Paris et du Rhone SA
Current assignee: Societe de Paris et du Rhone SA
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-10-27
Publication date: 1981-04-30
Also published as: FR2468940A1; DE3040459C2; ES496314A0; FR2468940B1; ES8107402A1

Description

Spannungsregler für Wechselstrom-, insbesondere Drehstromgeneratoren zum Aufladen einer Batterie

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für Wechselstrom-, insbesondere Drehstromgeneratoren zum Aufladen einer Batterie, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Spannungsregelungs-Verstärker oder "Regelabweichungs-Verstärker", an dessen Eingängen die Batteriespannung und eine Vergleichsspannung anliegen und an dessen Ausgang ein Leistungsverstärker, ζ. Β. mit einem Transistor angeschlossen ist, der die Erregerspule des Generators ansteuert, und mit einem Fehlerdetektor, vorzugsweise -anzeiger, der auf mindestens eine Phase des Generators geschaltet und vorzugsweise mit einer Signallampe verbunden ist.

Konkreter ausgedrückt, ist mit der Erfindung beabsichtigt, hauptsächlich die Spannungsregler der Lichtmaschinen, insbesondere Drehstromlichtmaschinen von Kraftfahrzeugen zu verbessern, wobei gemäß den derzeitigen Tendenzen vorgesehen ist:

1. Eine Spannung zwischen Phasen aufzuspüren, sei es mit Hilfe einer dreiphasigen Brücke mit Dioden und/oder mittels auf die Phasen geschalteten Widerständen, um durch das Aufleuchten einer Signallampe Störungen anzuzeigen, wie z. B. Reißen des Antriebsriemens der Lichtmaschine, Unterbrechung des Erregerstroms des Generators usw.

2. Die Spannungsanzeige für die Regelung ah den Pluspol des Generators oder des Zündschlüssels anzuschließen.

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Man hat festgestellt, daß bei einer derartigen Anordnung des Störungsanzeigers das Aufleuchten der Signallampe durch gewisse Zustände hervorgerufen werden konnte, die keine eigentliche Störungen darstellen.

So kann z. B. wenn die Batterie voll aufgeladen ist und kein Verbraucher eingeschaltet ist, die Regelfrequenz, d. h. die Frequenz der Umschaltung des Leistungsverstärker, z. B. Transistor, der die Erregerspule versorgt, sehr niedrig xverden, z. B. 1 Hz, wodurch momentan die Spannung zwischen Phasen verschwindet, so daß der Störungsanzeiger die Signallampe zum Aufleuchten oder wenigstens zum Aufflackern bringt.

Dasselbe Ergebnis kann auch eine "Strom-Entlastung" mit sich bringen; wenn man z. B. einen starken Verbraucher plötzlich abschaltet und die Batterie aufgeladen ist, kann die noch im Generator gespeicherte Energie die Batteriespannung erhöhen. Dadurch schaltet der Regler die Erregung ab. Bis die Batteriespannung wieder unter den Wert der Vergleichsspannung abfällt, können mehrere Sekunden vergehen, wodurch ebenfalls vorübergehend die Spannung zwischen Phasen verschwindet, was auch das Aufleuchten der Signallampe hervorruft.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen, also bei den vorstehend erläuterten Umständen das unangebrachte Aufleuchten der Signallampe zu vermeiden.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Erfindungsgegenstand im wesentlichen ein Spannungsregler für Wechselstrom-, insbesondere Drehstromgeneratoren zum Aufladen von Batterien, der eingangs erwähnten Art, bei dem dem Regelabweichungs-Verstärker und/oder dem Leistungsverstärker, z. B. Transistor, Hilfsmittel beigeordnet sind, die es ermöglichen, bei jedem Verhältnis zwischen der Batteriespannung und der Vergleichsspannung einen geringfügigen Strom durch die Erregerwicklung des Generators zu schicken, so daß diese niemals stromlos ist.

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Selbstverständlich muß dieser geringfügige Strom so gewählt werden, daß er nur dem Wert entspricht, der notwendig ist, um die Spannung für den Leerlaufbetrieb des Generators zu erhalten. Hierdurch wird vermieden, daß ein Fehlen der Phasenspannung angezeigt .wird, wenn der Generator läuft und seine Erregerwicklung nicht beschädigt ist.

Die vorgenannten Mittel bestehen vorteilhafterweise aus einem Taktgeber bzw. Impulsgeber in Verbindung mit einem Impulsformer, dessen Ausgangssignale die Signale modulieren, die vom Fehlerverstärker ausgehen und in den Leistungsverstärker, wie z. B. einen Transistor geleitet werden. Bei einer derartigen Anordnung verursacht die Modulation eine Änderung des Steuersignals, so daß die Erregerwicklung während sehr kurzer und genügend rasch aufeinander folgenden Intervallen versorgt wird, wodurch der benötigte minimale mittlere Strom erhalten wird.

Gemäß einer ersten Ausführungsform dieses Prinzips der Modulation der Steuersignale wird der Regler mit einer minimalen festen Frequenz von z. B. 25 Hz versorgt bzw. überlagert. Zu diesem Zweck besteht der Impulsformer aus einem monostabilen Multivibrator, der sehr kurze Impulse mit der Frequenz des Impulsgebers aussendet, und einem Transistorschaltkreis, der mit Hilfe dieser Impulse das vom Fehlerverstärker ausgehende Signal moduliert. Auf diese Weise wird die Erregerwicklung wenigstens mit der Frequenz des Impulsgebers versorgt, auch wenn die Regelfrequenz, die vom Fehlerverstärker ausgeht, niedriger ist. Entsprechend einem Anwendungsbeispiel enthält die Schaltung einen Transistor, dessen Basis mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers verbunden ist, und einen zweiten Transistor, dessen Basis mit dem Ausgang des Impulsformers (Monoflop) und dessen Kollektor oder Emittor mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, der seinerseits den Leistungsverstärker, wie z. B. einen Transistor steuert.

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Gemäß einer zweiten Ausf-ührungsform desselben Modulationsprinzips wird dem Regler eine bestimmte, gleichbleibende Frequenz, auferlegt bzw. überlagert. Hierzu weist die Impulsformerschaltung einen Sägezahnimpulsformer mit der Frequenz des Impulsgebers und einen Vergleicher auf, der an einem Eingang die Sägezahnsignale und an einem anderen Eingang das Signal empfängt, welches der Fehlerverstärker abgibt und welches durch eine Schwelle begrenzt wird. Diese Schwelle kann z. B. einen Höchstwert für die an einem Eingang des Vergleichers auftretenden und mit den Sägezahnsignalen verglichenen Signale derart festlegen, daß der Vergleicher mindestens bei jeder Spitze des Sägezahnsignales einen kurzzeitigen Impuls abgibt, der die Erregerwicklung mit der gegebenen festen Frequenz versorgt.

Statt das aus dem Fehlerverstärker kommende Steuersignal durch periodische Signale zu modulieren, ist es möglich, einen schwachen Strom ständig durch die Erregerwicklung zu schicken, woraus sich zwei Varianten der vorliegenden Erfindung ableiten lassen, nämlich:

- In einer Variante besteht das oben genannte Hilfsmittel einfach aus einem parallel zum Leistungsverstärker geschalteten Widerstand, der geeignet ist, die Erregerwicklung des Generators zu versorgen;

- in der anderen Variante steuert das vorgenannte Hilfsmittel den Leistungsverstärker, wie z. B. Transistor derart, daß ein Mindeststrom erzeugt wird und ständig durch die Erregerwicklung des Generators fließt.

Es ist offensichtlich,daß auch diese Varianten zu dem gewünschten Ergebnis führen, nämlich dem Aufrechterhalten einer Mindestspannung zwischen den Phasen des Generators, wodurch das unangebrachte Einschalten der Signallampe durch den Störungsanzeiger vermieden wird.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand der belügenden schematischen Darstellungen, die als nicht ausschließliche Beispiele einige Ausführungsformen des Spannungsreglers darstellen, erläutert.

Fig. 1 ist das Schaltschema einer ersten Ausführungsform und stellt gleichfalls eine Variante der Erfindung dar.

Fig. 2 ist das Schaltschema einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungsreglers.

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Schaltung der Fig. 2.

In den Figuren 1 und 2 sind die Wicklungen 1 der drei Phasen des Generators eines Kraftfahrzeuges und die Erregerwicklung

2 dieses Generators dargestellt, sowie ein Brücke-Gleichrichter 3 mit sechs Dioden, der dazu dient, den gleichgerichteten Strom für das Laden der Batterie zu erzeugen, die hier nicht dargestellt ist und an die Klemmen + und - des Gleichrichters

3 angeschlossen wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß in den Figuren, die die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, einer der üblichen Dreiphasengeneratoren dargestellt ist. Die Erfindung kann jedoch ohne irgendwelche Änderungen auch auf Generatoren angewandt werden, die eine beliebige Phasenzahl besitzen.

Der Spannungsregler dieses Batterieladegeräts enthält in bekannter Weise einen Spannungsregelverstärker, der im folgenden auch "Abweichungsverstärker" A oder kurz "Verstärker" 4 genannt wird und an seinen Eingängen einerseits die wirkliche Batteriespannung Ub und andererseits eine Vergleichsspannung Ur erhält. Das Ausgangssignal S des Verstärkers 4 steuert über einen Leistungstransistor 5 die Versorgung der Erreger-

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wicklung 2 des Generators. Weiterhin enthält der Regler in bekannter Weise einen Fehleranzeiger 6, der mit einer Phase der Baugruppe Generator-Gleichrichter verbunden ist und außerdem die Spannung an den Klemmen der Batterie erhält. Der Störungsanzeiger 6 ist mit der Signallampe 7 verbunden .

Der Verstärker 4 vergleicht die Batteriespannung Ub mit der Vergleichsspannung Ur. Als Folge dieses Vergleichs gibt er ein Signal S ab, das, wenn Ub">· Ur die-Versorgung der Erregerwicklung 2 unterbricht und das, wenn Ub-^₁Ur die Versorgung der Erregerwicklung 2 freigibt. Im Betrieb treten zeitliche Intervalle auf, während denen die Wicklung 2 versorgt wird, die mit anderen Zeitintervallen abwechseln, während denen die Erregerwicklung 2 stromlos ist. Daraus ergibt sich eine "Regelfrequenz".

Um die in der Einleitung erläuterten Nachteile zu vermeiden, sind in der Ausführungsform nach Fig. 1 Mittel vorgesehen, die im Regler eine Mindestfreauenz aufzwingen. Der Ausgang des Verstärkers 4 ist mit der Basis eines Transistors 8 verbunden, der in dem dargestellten Beispiel ein NPN-Transistor ist, dessen Emittor mit dem Minuspol und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand 9 mit dem Pluspol verbunden ist und andererseits mit der Basis des Transistors 5. Außerdem ist ein Impulsgeber 10 vorgesehen, der ein Mono 11 (monostabiler Multivibrator) steuert, der sehr kurze periodische Impulse I abgibt. Der Ausgang des Monos 11 ist mit der Basis eines dritten Transistors 12 verbunden, der im gewählten Beispiel ein NPN-Transistor ist, dessen Emittor mit der Minusklemme und dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 8 verbunden ist.

Der Impulsgeber 10 gibt seine Signale mit der gewünschten minimalen konstanten Regelfrequenz ab, z. B. 25 Hz. Der Impulsgeber kann sich aufbauen aus einem Oscillator mit

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wesentlich höherer Frequenz und einem Frequenzteiler. Das Mono 11, das die Signale des Impulsgebers erhält, gibt seinerseits Impulse I ab, deren Frequenz identisch ist mit derjenigen der Signale des Impulsgebers und deren Dauer der gewünschten Mindestdauer .der Leitfähigkeit des Transistors 5 entspricht, der die Erregerwicklung 2 versorgt.

Hieraus ergibt sich für die gesamte Schaltung folgender Funktionsablauf:

Wenn die Batteriespannung Ub höher ist als die Vergleichsspannung Ur, gibt der Abweichungsverstärker A ein stärkeres Signal S ab, das normalerweise den Transistor 8 leitend macht, Folglich ist der Transistor 5 gesperrt und die Versorgung der Erregerwicklung 2 wird unterbrochen. Gleichzeitig erreichen die Impulse I die Basis des Translstfros 12. Jeder Impuls I macht den Transistor 12 während einer sehr kurzen Zeitspanne leitend, wodurch der Transistor 8, der normalerweise leitend ist, gesperrt wird. Folglich wird der Transistor 5 während einer sehr kurzen Zeit leitend. Selbst wenn der Zustand Ub "y· Ur langer anhält als die Dauer einer Periode der gewählten Mindestregelfrequenz, so ist doch sichergestellt, daß der Transistor 5 jeweils kurzzeitig leitend ist und folglich wird während dieser kurzen Zeiten die Versorgung der Erregerwicklung 2 sichergestellt. Folglich kann die Spannung zwischen den Phasen des Generators nicht zusammenbrechen und über den Störungsanzeiger 6 das Aufleuchten der Signallampe 7 auslösen, wenn folgende Zustände vorliegen:

- Wenn die Batterie voll aufgeladen und kein Verbraucher eingeschaltet ist, wodurch die Regelfrequenz sehr niedrig werden kann (z. B. 1 Hz), wenn keine Mindestfrequenz aufgezwungen wird.

- Wenn bei vollaufgeladener Batterie ein großer Verbraucher

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plötzlich abgeschaltet wird, wodurch die Batteriespannung noch weiter steigt, was ein Abschalten während mehrerer
Sekunden der Erreger durch den Regulator zur Folge haben
kann.

Im umgekehrten Fall, wenn die Batteriespannung niedriger ist als die Vergleichsspannung, gibt der Verstärker 4 ein schwaches Signal S ab, das den Transistor 8 blockiert und damit
den Transistor 5 leitend macht, wodurch die Erregerwicklung 2 versorgt wird. Die Impulse I, die der. Basis des Transistors 12 zugeleitet werden, haben keinen Einfluß auf die Leitfähigkeit des Transistors 5. Folglich kann dieser so lange leitfähig gehalten werden, wie es in Abhängigkeit des vom Fehlerverstärker A abgegebenen Signals S nötig ist und die Umschaltfrequenz des Transistors 5 kann höher sein als der durch den Impulsgeber 10 gegebene feste Mindestwert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die Reglerfrequenz konstant und wird dauernd von einem Impulsgeber 13 gegeben-, der auch in diesem Falle aus einer Kombination eines Oscillators mit höherer Frequenz und einem Frequenzteiler bestehen kann. Der Ausgang des Impulsgebers 13 ist mit einem
Sägezahnimpulsgeber 14 verbunden, der Signale D abgibt, dessen Frequenz der des Impulsgebers entspricht und deren Form wie oben in Fig. 3 dargestellt sein kann. Die Signale D werden
den Eingängen eines Vergleichers 15 zugeleitet.

Das Ausgangssignal S des Verstärkers A wird dem Eingang eines Schwellwert-Elementes 16 zugeleitet, dessen Ausgang-mit dem anderen Eingang des Vergleichers 15 verbunden ist. Der Ausgang des Vergleichers 15 ist über einen Verstärker 17 mit
der Basis des Transistors 5 verbunden, der die Erregerwicklung 2 versorgt.

Der Vergleicher 15 ermöglicht,, das vom Abweichungsverstärker k abgegebene Signal aufzuteilen und es in die Impulse C um-

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zuformen, die durch die-zweite Linie des Diagramms gemäß
Fig. 3 dargestellt sind. Je höher die Batteriespannung Ub
gegenüber der Vergleichsspannung ist, umso kürzer wird die
Dauer d der Impulse C im Verhältnis zur Periode T der Sägezahnsignale. Daraus ergibt sich, daß das zyklische Verhältnis d/T sich dem Wert Null nähert, wenn die Batteriespannung Ub
steigt. Dies wird verhindert durch die Schwelle 16, die einen Höchstwert So für das vom Verstärker 4 an den Vergleicher 15 geleitete Signal festlegt. Durch eine - entsprechende Wahl dieses Höchstwertes erhält man eine Mindestdauer do der Impulse am Ausgang des Vergleichers 15. Dieser gibt also mindestens
Impulse von der Dauer do (dargestellt durch die untere Linie des Diagramms in Fig. .3) und mit der vom Impulsgeber 13 gegebenen Frequenz an den Transistor 5 ab. Dadurch ist auch in diesem Falle, sichergestellt, daß der Transistor 5 kurzzeitig leitend ist und folglich die Erregerwicklung 2 kurzzeitig
bei jeder Batteriespannung Ub versorgt wird, wodurch das unbeabsichtigte Aufleuchten der Signallampe unter den oben
bereits erläuterten Umständen verhindert wird.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung gemäß Fig. 2 liegt in der Tatsache, daß durch das Vorhandensein einer konstanten Reglerfrequenz Spannungsabfälle und andere unerwünschte Nebeneffekte vermieden werden können, die bei den bekannten Schaltungen
auftreten und umso störender sind, je höher die Reglerfrequenz ist. Daher verbessert die vorliegende Erfindung nicht nur die Fehleranzeige, sondern auch das Funktionieren der Spannungsregelung an sich.

Selbstverständlxch beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die beiden Ausführungsformen des Spannungsreglers, die Obenstehend als Beispiele beschrieben wurden. Sie umfaßt alle Varianten, die nach dem gleichen Prinzip aufgebaut werden können, d. h. die es gestatten, einen mittleren Mindeststrom durch die Erregerwicklung 2 eines Generators zu schicken, um diesen zu erregen und dadurch eine Phasenspannung zu er-

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halten, die ausreichend ist, um das unbeabsichtigte Aufleuchten der Signallampe 7 des Fehleranzeigers 6 zu verhindern.

So besteht beispielsweise, eine Variante der Erfindung, wie in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt, darin, daß ein Widerstand 18 parallel zu dem Transistor 5 geschaltet wird (wobei die Bauelemente 10, 11 und 12 entfallen können). Ein Mindeststrom, dessen Wert durch den Widerstand 18 bestimmt wird, versorgt dann permanent die Erregerwicklung 2. Diese Variante, die scheinbar sehr einfach ist, kann jedoch bei der praktischen Ausführung Schwierigkeiten mit sich bringen, wie z. B. die Kühlung, die durch die Wärmeabgabe des Widerstandes notwendig wird.

Eine weitere Variante, die nicht bildlich dargestellt ist, besteht darin, den Transistor 5, der die Erregerwicklung 2 versorgt, nicht vollständig umzuschalten, sondern mit Hilfe dieses Transistors eine Art proportionelle Verstärkung des Ausgangssignals S des Fehlerverstärkers 4 zu erzeugen und zwar in dem Maße, daß ein Mindeststrom entsteht, der permanent durch die Wicklung 2 fließt.

Patentanwalt

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Claims

Ansprüche

1 .

2.

Spannungsregler für Wechselstrom-, insbesondere Drehstromgeneratoren zum Aufladen einer Batterie, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Spannungsregelungs-Verstärker oder "Regelabweichungs-Verstärker", an dessen Eingängen die Batteriespannung und Vergleichsspannung anliegen und an dessen Ausgang ein Leistungsverstärker, z. B. mit einem Transistor angeschlossen ist, der geeignet ist, die Erregerwicklung des Wechselstromgenerators zu versorgen bzw. anzusteuern und mit einem Fehleranzeiger, der auf mindestens eine Phase des Generators geschaltet und mit einer Signallampe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfsmittel (8 - 12, 13 - 17, 18) dem Fehlerverstärker (A) und/oder den Leistungsverstärker, wie z. B. dem Transistor (5) derart zugeordnet sind, daß bei jedem Verhältnis zwischen der Batteriespannung (Ub) und der Vergleichsspannung (Ur) ein mittlerer Mindeststrom durch die Erregerwicklung (2) des Generators (1) fließt, so daß dieser niemals stromlos ist, wodurch vermieden wird, daß der Störungsanzeiger (6) die Signallampe (7) aufleuchten läßt, wenn keine echte Störung vorliegt.

Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oben genannten Hilfsmittel, um einen mittleren J

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Mindeststrom durch" die Erregerwicklung (2) zu schicken, einen Impulsgeber (10, 13) in Verbindung mit einem Impulsformer (11, 14) aufweisen, dessen Ausgangssignale (I, D) das Steuersignal (S), das aus dem Abweichungsverstärker (4) kommt und dem Leistungsverstärker (5) zugeleitet wird, modulieren.

Spannungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer einen Flip-flop (Mono) (11) aufweist, der mit der Frequenz des Impulsgebers (10) sehr kurze Impulse (I) aussendet, die in Verbindung mit einem Transistorschaltkreis (8, 12) ermöglicht, das vom Fehlerverstärker (4) ausgehende Signal (S) mit Hilfe der besagten Impulse (I) derart zu modulieren, daß der Regler immer eine bestimmte gleichmäßge minimale Frequenz hat.

Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Schaltung einen Transistor (8) enthält, dessen Basis mit dem Ausgang des Verstärkers (4) verbunden ist, sowie einen weiteren Transistor (12) aufweist, dessen Basis mit dem Ausgang des Monos (11) und dessen Kollektor oder Emlttor mit der Basis des erstgenannten Transistors (8) verbunden sind, der seinerseits den Leistungsverstärker, wie z. B. den Transistor (5) steuert.

Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer au"s einem Geber (14) für Signale in Sägezahnform (D) mit der Frequenz des Impulsgebers (13) und aus einem Vergleicher (15) besteht, welcher an einem Eingang die Sägezahnsignale (D) und an einem anderen Eingang das vom Verstärker (4) ausgehende und durch eine Schwelle (16) begrenzte Signal (S) erhält, wodurch dem Regler eine konstante Frequenz auferlegt, gegebenenfalls überlagert wird.

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6. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Mittel, um einen mittleren Mindeststrom durch die Erregerwicklung (2) zu schicken, aus einem Widerstand (18) bestehen, der parallel zu dem Leistungsverstärker, wie z. B. dem Transistor (5) geschaltet und geeignet ist, die Erregerwicklung (2) zu versorgen.

7. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Mittel den Leistungsverstärker, wie den Transistor (5) derart steuern, daß ein minimaler Strom erzeugt wird und ständig durch die Erregerwicklung (2) des Generators (1) fließt.

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