DE3116315A1

DE3116315A1 - "generatorsystem"

Info

Publication number: DE3116315A1
Application number: DE19813116315
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. 7022 Leinfelden-Echterdingen Conzelmann; Adolf Ing.(Grad.) 7250 Leonberg Kugelmann; Karl 7413 Gomaringen Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-04-24
Filing date: 1981-04-24
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE3116315C2; WO1982003731A1

Description

Generatorsystem
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Generatorsystem nach der Gattung des Hauptanspruchs. Zum Schutz des Bordnetzes gegen Überspannungen, wie sie vor allem bei einem Betrieb ohne eine Batterie entstehen, sind Z-Dioden geeignet. Da diese Z-Dioden hohe Stoßenergien aufnehmen müssen, sind damit leistungsfähige, also große und teuere, Typen erforderlich. Es ist deshalb schon durch die DE-OS 27 o8 981 (R. 3780 der Anmelderin) vorgeschlagen worden, solche Z-Dioden zu entlasten, dadurch, daß der Ausgang des Generators mittels einer Hilfsschaltung kurzgeschlossen wird, bevor die Z-Diode thermisch zerstört ist. Diese Maßnahme bedingt aber einen weiteren Aufwand.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße System mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Stoßenergie, die die Übernahmevorrichtung zum Schutz des Bordnetzes gegen Überspannungen bei einem batterielosen Betrieb aufnehmen muß, drastisch gesenkt wird. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß einerseits serienmäßige Bauteile verwendet werden können, andererseits sich dieses System weitgehend bis vollständig integrieren läßt. Schließlich ist von Vorteil, daß das erfindungsgemäße -System sehr wenig störanfällig ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Systems möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Spannungsabfrage im Spannungsregler selbst erfolgen kann. Wenn als Steuergröße der durch die Aufnahmevorrichtung fließende Strom oder die an den Ausgangsklemmen des Generators vorhandene Augangsspannung dient, ist eine verzögerungsfreie Umschaltung von der Freilaufdiode auf die Aufnahmevorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Zeitkonstante des Erregerkreises gesenkt wird und sich infolge dessen der Generator schneller an die neuen Belastungsverhältnisse anpassen kann. Weitere vorteilhafte Maßnahmen zum Senken der Stoßenergie, die von der Schutzvorrichtung zu übernehmen ist, ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt die übliche Schaltung eines Generatorsystems mit einer Freilaufdiode und einem Überspannungsschutz, Figur 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Übernahmevorrichtung mit einer Freilaufdiode, einer Z-Diode und einer Steuereinheit, in Figur 3 ist der vollständige Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels dargestellt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 enthält ein Generator 1 in bekannter Art eine Phasenwicklung und einen der Phasenwicklung nachgeschalteten Gleichrichter sowie eine Erregerwicklung 2. An den Generator 1 ist in bekannter Weise ein Spannungsregler 3 angeschlossen, der eine Freilaufdiode 13 enthält. Die Freilaufdibde 13 ist eine Gleichrichterdiode, sie dient als Übernahmevorrichtung 4 zum Übernehmen des Stroms, der nach dem Ausschalten des Transistors 30 durch die Erregerwicklung 2 weiterfließt. Die Freilaufdiode liegt elektrisch mit ihrer Kathode an Klemme 5 (D+) und mit ihrer Anode an Klemme 6 (DF). Das Ein- und Ausschalten der Erregerwicklung 2 wird über den als Leistungsschalter dienenden Transistor 30 bewirkt. An die positive Ausgangsklemme 7 (B+) und die negative Ausgangsklemme. 8 (Masse) des Generators 1 ist eine Z-Diode 9 angeschlossen. Zwischen Klemme 8 und Z-Diode 9 kann ein niederohmiger Widerstand 52, Klemme 51, geschaltet sein, an dem ein Spannungsabfall entsteht, sobald durch die Z-Diode 9 ein Strom fließt. Diese Z-Diode dient als Überspannungsschutz des Bordnetzes für den Fall, daß. eine Last 11 beispielsweise mit einem Schalter 10 abgeschaltet wird. Der Überspannungsschutz mit der Z-Diode 9 dient also als Aufnahmevorrichtung für die Stoßenergie, die der Generator 1 bei plötzlicher Entlastung abgibt. Statt einer Z-Diode 9 kann der der Phasenwicklung nachgeschaltete Gleichrichter Gleichrichterdioden mit Avelanche-Charakter enthalten. Auch kann die Kathode der Z-Diode 9 anstatt mit Klemme 7 (B+) mit Klemme 5 (D+) verbunden sein.
Ist die Last. 11 gerade so groß, daß sie die Nennleistung des Generators 1 aufnimmt, dann ist der Generator 1 bei geschlossenem Schalter 10 voll erregt. Wird jetzt der Schalter 10 geöffnet, so muß der Erregerstrom in der Erregerwicklung 2 von seinem Maximalwert auf seinen Leerlaufwert gesteuert werden.
Während dieser ganzen Übergangsphase gibt der Generator 1 eine höhere Leistung ab, als nötig ist. Die erhöhte Leistungsabgabe bewirkt einen Energiestoß, der von der Aufnahmevorrichtung 9 aufgenommen werden muß. Der Energiestoß ist umso größer, je länger die Übergangsphase dauert bis der Erreger strom auf den neuen kleineren Wert abgefallen ist. Ist die Erregerwicklung 2 mit einer Freilaufdiode 13 in der Übernahmevorrichtung 4 geklammert, hat die Übergangsphase den längsten möglichen Wert.
Im Schema nach Figur 2 enthält die Übernahmevorrichtung 4 außer der Freilaufdiode 13, eine Einrichtung 14 mit Durchbruchscharakteristik, wie etwa eine Z-Diode. Die Diode 13 und die Einrichtung 14-liegen mit einem Anschluß beispielsweise an der Klemme 6 (DF). Weiter enthält die Übernahmevorrichtung 4 eine Umschaltvorrichtung 12 mit einer Schaltbrücke 112. Ein Kontakt 16 der Umschaltvorrichtung 12 ist mit dem freien Anschluß der Freilaufdiode 13 ein Kontakt 17 mit dem freien Anschluß der Einrichtung 14 verbunden. Die Schaltbrücke 112 liegt einseitig an der Klemme 5 (D+) und schaltet die Klemme 5 entweder auf den Kontakt .16 oder den Kontakt 17 durch. Gesteuert wird die Umschaltvorrichtung 12 durch eine Steuereinheit 15 mit zwei Eingangsklemmen 8, 50, von denen die Klemme 8 mit Masse und die Klemme 50 mit der Klemme 5 (D+) oder mit der Klemme 7 (B+) verbunden ist. Die Klemme 50 kann aber auch mit der Klemme 51 des Widerstands 52 in Reihe zur Aufnahmevorrichtung 9 verbunden sein.
Wie man sieht, ist im Schema nach Figur 2 die Freilaufdiode 13 der Figur 1 ersetzt durch die Gleichrichterdiode 13 und die Einrichtung 14. Im Normalbetrieb steht die Schaltbrücke 112 der Umschaltvorrichtung 12 auf dem Kontakt 16, also der Freilaufdiode 13. Die Freilaufdiode 13 klammert die Erregerwicklung 2 auf ihre Durchlaßspannung. Während der schon erwähnten Übergangszeit wird die Schaltbrücke 112 durch die Steuereinheit 15 auf den Kontakt 17 geschaltet, damit ist die Erregerwicklung 2 mit der Einrichtung 14 geklammert, deren Durchbruchspannung ist viel höher als die Durchlaßspannung der Diode 13 gewählt, beispielsweise zu 50 Volt. Nach dem Induktionsgesetz ist damit die Änderungsgeschwindigkeit des Erregerstroms durch die Erregerwicklung 2 ebenfalls sehr viel größer und damit die Zeit für den Abbau des Erregerstroms sehr viel kleiner. Dementsprechend wird auch die von der Aufnahmevorrichtung 9 aufzunehmende Stoßenergie sehr viel kleiner.
Die Steuereinheit 15 erhält die Anweisung zum Schalten-aus einer geeigneten Größe des Generatorsystems. Als geeignete Größe kann die Information gewählt werden "durch die Aufnahmevorrichtung 9 fließt Strom. Zum Steuern kann aber auch die Information herangezogen werden die Spannung des Generators 1 an seinen Ausgangsklemmen 7 und 8 oder 5 und 8 ist größer als die vorgegebene maximale Betriebsspannung, jedoch noch kleiner als die kleinste mögliche Durchbruchspannung der Aufnahmevorrichtungen 9''. Die Umschaltvorrichtung 12, die Freilaufdiode 13 und die Einrichtung 14 sind zweckmäßig durch Halbleiterschalter, beispielsweise durch Transistoren gebildet, die beide Schaltzustände erlauben, also eine ähnlich niedrige Sättigungsspannung wie eine Freilaufdiode 13 und einen Betrieb bei höherer Spannung entsprechend einer Z-Diode 14. Die höhere Spannung kann aus einer niedrigeren Referenzspannung des Spannungsreglers 3 mittels einer Regelschleife in der Steuereinheit 15 verhältnismäßig exakt gewonnen werden. Dabei kann vorteilhafterweise der Übergang von der niedrigen (Spannung) der Freilaufdiode 13 zu der hohen (Spannung) der Z-Diode 14 so verzögert werden, daß der Leistungsschalter 30 des Spannungsreglers 3 nur auf seine Kollektor-Basis-Durchbruchspannung und nicht auf seine Kollektor-Emitter-Druchbruchspannung beansprucht wird.
Aus der Vielzahl möglicher Schaltungen ist in Figur 3 ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Neben den bereits geschilderten Bauelementen ist ein Komporator 18 vorgesehen, dessen nicht invertierender Eingang 19 an einer Referenzspannung 35 liegt, und dessen invertierender Eingang 20 mit dem aus den Widerständen 21 und 22 bestehenden Schaltspannungsteiler verbunden ist. Das Teilerverhältnis des Schaltspannungsteilers 21, 22 ist so gewählt, daß die Potentialdifferenz zwischen dem Eingang 20 und dem Masseanschluß 8 dann so groß wie die Referenzspannung 35 ist, wenn die Spannung des Generators 1 an den Ausgangsklemmen 7 und 8 - oder an den Klemmen 5 und 8 -etwa in der Mitte zwischen der vorgegebenen maximalen Nennspannung des Bordnetzes und der kleinsten möglichen Durchbruchs spannung der Z-Diode in der Übernahmevorrichtung 9 liegt. Bei der Nennspannung des Generators von 14 Volt beispielsweise etwa zwischen 16 und 20 Volt.
Die Referenzspannung 35 wird im Spannungsregler 3 auf bekannte Weise erzeugt. Der Ausgang 23 des Komparators 18 ist einerseits über einen Widerstand 24 mit der Basis des Transistors 26, andererseits über den Kondensator 25 mit seiner Eingangsklemme 20 verbunden. Der Kollektor des Steuertransistors 26 liegt über einem Begrenzungswiderstand 32 an der Basis eines Halbleiterschalters 33, dessen Emitter mit der Klemme 6 des Generators und dessen Kollektor über eine Diode 34 mit der Klemme 5 (D+) oder 7 (B+) des Generators verbunden ist; die Basis von 33 ist darüberhinaus in der angegebenen Weise über eine Z-Diode 133 mit seinem Kollektor verbunden.- Der Halbleiterschalter 33, die Diode 34 und die Z-Diode 133 bilden die Übernamevorrichtung 4 zur Klammerung der Erregerwicklung 2 des Generators.
Im Normalbetrieb schaltet der als Leistungsschalter dienende Transistor 30 regelmäßig aus und ein, um den erforderlichen mittleren Strom durch die Erregerwicklung 2 zu bewirken.
Ist der Transistor 30 eingeschaltet, so ist die Potentialdifferenz zwischen den Klemmen 6 (DF) und 8 (Masse) gleich seiner Sättigungsspannung, also etwa 0,5bis1,5 Volt. Ist der Transistor 30 ausgeschaltet, so wird der induktionsbedingte Strom durch die Erregerwicklung 2 zunächst in gleicher Höhe weiterfließen; hierzu ist es erforderlich, daß das Potential von 6 über das Potential der Klemme 5 bzw. der Klemme 7 hinaus ansteigt; wieweit es darüberhinaussteigt, hängt von der Übernahmevorrichtung 4 ab.
Arbeitet der Generator 1 im normalen Betriebsspannungsbereich, so ist die an der Klemme 19 des Komparators 18 anstehende Referenzspannung 35, also das Potential 19/8, größer als die zwischen der Eingangsklemme 20 und der Masse 8 anstehende Potentialdifferenz. Das Potential der Ausgangsklemme 23 des Komparators 18 liegt damit nur wenig unterhalb des Potentials der Klemme 5, bzw. 7; über den Widerstand 24 fließt auf die Basis des Transistors 26 Strom, der Transistor 26 ist leitend, der Transistor 33 erhält einen durch den Widerstand 32 vorgegebenen Basisstrom und schaltet ebenfalls durch. Der Feldstrom fließt jetzt von der Klemme 6 durch den Transistor 33 und die Diode 34 zur Klemme 5; die Erregerwicklung 2 wird somit auf einem Spannungsniveau geklammert, das durch die Sättigungsspannung des Schalttransistors 33 und die Durchlaßspannung der Diode 34 gegeben ist, also auf einen Wert, der nur wenig größer ist als der einer normalen Freilaufdiode 13. Wird nun der Lastwiderstand 11 mittels des Schalters 10 vom Generator getrennt (siehe Figur 1), so steigt seine Ausgangsspannung auf das Niveau der Durchbruchsspannung der Z-Diode 9 an. Jetzt ist das an der Eingangsklemme 20 des Komparators 18 anstehende Potential höher als die an der Klemme 19 stehende Referenzspannung.
Der Ausgang 23 des Komparators liegt damit nahezu auf dem Massepotential 8; der Transistor 26 wird stromlos, und der Schalttransistor 33 zunächst ebenfalls. Damit steigt das Potential der Klemme 6 weiter an und zwar soweit, bis die Durchbruchsspannung der Z-Diode 133 erreicht ist; jetzt zieht der Schalttransistor 33 wieder Basis- und damit auch Kollektorstrom; die Erregerwicklung 2 wird jetzt in nullter Näherung auf einem Potential geklammert, das dem der Durchbruchsspannung der Z-Diode 133 entspricht, also etwa 50 Volt. Um in diesem Betriebsfalle die Anstiegsgeschwindigkeit des Potentials der Klemme 6 zu reduzieren, ist die Eingangsklemme 20 des Komparators 18 über den Kondensator 25 mit seiner Ausgangsklemm 23 verbunden.
Die Übernahmevorrichtung 4 läßt sich auch umschalten durch den Spannungsabfall, den der durch die Z-Diode 9 und den Widerstand 52 (siehe Figur 1) fließende Strom erzeugt. In diesem Falls ist die Eingangsklemme 20 des Komparators 18 mit der Klemme 51 zu verbinden; die an der Eingangsklemme 19 des Komparators 18 anliegende Referenzspannung ist dann zweckmäßig sehr klein zu wählen.
Einer oder mehrere der verwendeten bipolaren Transistoren kann auch durch MOS-Transistoren ersetzt sein. Auch kann die Anordnung hybrid- oder monolithisch integriert sein.

Claims

Ansprüche fE U Generatorsystem mit einem selbsterregten Generator (1) mit einer Ausgangswicklung, einer Erregerwicklung (2), einem Spannungsregler (3), einer der Erregerwicklung (2) parallel geschalteten Übernahme-Vorrichtung (4) zum Übernehmen des beim Abschalten der Erregerwicklung (2) durch diese weiterfließenden Stroms und einer Aufnahmevorrichtung (9) zum Aufnehmen der beim Abschalten einer Last (11) vom Generator (1) abgegebenen Stoßenergie, dadurch gekennzeichnet, daß als Übernahmevorrichtung (4) eine Kombination folgender Bauteile vorgesehen ist: - eine an sich bekannte als Freilaufdiode (13) dienende Vorrichtung, r eine Z-Diode (14) mit einer Durchbruchsspannung, die ein Vielfaches der Durchlaßspannung der als Freilaufdiode (13) dienenden Vorrichtung beträgt, - eine Umschaltvorrichtung (12), mit deren Schaltbrücke (112) die Freilaufdiode (13) zum zugehörigen Anschluß der Einrichtung (14) schaltbar ist, - eine die Umschaltvorrichtung (12) in Abhängigkeit von einer geeigneten Größe des Generatorsystems steuernde Steuereinheit -C 1 5).
2. Generatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße der durch die Aufnahmevorrichtung (9) fließende Strom dient.
3. Generatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße die an den Ausgangsklemmen (7, 8 oder 5, 8) vorhandene Spannung des Generators (1) dient.
4. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchspannung der Einrichtung (14) mit Durchbruchcharakteristik wesentlich höher als die Flußspannung der als Freilaufdiode (13) dienenden Vorrichtung des Generators (1) ist, vorzugsweise zehn- bis hundertmal so hoch.
5. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Umschaltvorrichtung (12) vorgesehene Steuereinheit (15) enthält: - einem Komparator (18), dessen nicht invertierender Eingang (19) mit einer Referenzspannungsquelle (35) und dessen invertierender Eingang (20) mit dem Abgriff des Schaltspannungsteilers (21 , 22), verbunden ist, - einen Steuertransistor (26), dessen Basis mit dem Ausgang (23) des Komparators (18) und dessen Kollektor mit dem Eingang der Umschaltvorrichtung (12) verbunden ist.
6. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (12) realisiert ist durch Halbleiterschalter, vorzugsweise einen Transistor (33).
7. Generatorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Kollektor-Strecke des Halbleiterschalters (33) durch ein Element mit Durchbruchcharakteristik (133) überbrückt ist, dessen Durchbruchspannung niedriger als die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung des Xalbleiterschalters (33) ist.
8. Generatorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit Durchbruchcharakteristik (133) als Z-Diode ausgebildet ist.
9. Generatorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator verzögert schaltet.
10. Generatorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (18) durch einen Kondensator 25 zwischen seinem Ausgang (23) und seinem invertierenden Eingang (20) verzögert schaltet.
11. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Bauteile vorgesehen sind -zwischen dem Kollektor des Steuertransistors (26) und der Basis des Halbleiterschalters (33) ein Begrenzungswiderstand (32), zwischen dem Ausgang (23) des Komparators (18) und dem Eingang des Steuertransistors (26) ein Widerstand (-243
12. Generatorsystem nach einem der-Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzspannungsquelle (35) eine im Spannungsregler (3) vorhandene Quelle verwendet ist.
13. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (9) als Z-Diode ausgebildet ist.
14. Generatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung (9) ersetzt ist durch Gleichrichterdioden mit Avalanche-Charakter in dem der Phasenwicklung des Generators (1) nachgeschalteten Gleichrichter.
15. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der verwendeten Halbleiter schalter ein MOS-Transistor vom p-Kanal-/n-Kanal-' Typ ist.
16. Generatorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übernahmevorrichtung (4) und die Steuereinheit (15) zusammen mit dem Spannungsregler (3) des Generators (1) in einem einzigen Kristall integriert ist.