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Regeleinrichtung für mit wechselnder Drehzahl angetriebenen Generator, insbesondere in einem Kraftfahrzeug Die Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätige, strom- und spannungsabhängige Regeleinrichtung für mit wechselnder Drehzahl angetriebenen, nebenschlusserregten Generator, die ausser einem mit der Erregerwicklung des Generators in Reihe geschalteten Leistungstransistor noch einen zur Steuerung dieses Transistors dienenden zweiten Transistor (Steuertransistor) enthält, dessen Ausgangskreis über einen Transformator mit dem Leistungstransistor gekoppelt ist.
Derartige Regeleinrichtungen haben die Aufgäbe, die an den Ausgangsklemmen des Generators zur Verfügung stehende Spannung unabhängig von dem jeweiligen Laststrom auf einem möglichst konstant bleibenden Wert zu halten. Diese Regelungsbedingung ist bei Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge besonders deshalb schwer zu erfüllen, weil beim Betrieb von Kraftfahrzeugen nicht nur die Antriebsdrehzahl der Lichtmaschinen in sehr weiten Grenzen schwankt, sondern auch der Leistungsbedarf der aus der Lichtmaschine zu speisenden Verbraucher je nach der Jahres- und Tageszeit erhebliche Unterschiede aufweist.
Damit die eingeregelte Spannung auch bei hohen Lastströmen wenigstens annähernd auf dem gleichen Wert gehalten wird, wie bei Leerlauf des Generators, muss dafür gesorgt werden, dass die Regeleinrichtung eine hohe Spannungsempfindlichkeit hat. Da es ausserdem mit Rücksicht auf die Herstellungskosten wichtig ist, mit möglichst kleinen Transistoren auskommen zu können, muss der in Reihe mit der Erregerwicklung des Generators geschaltete Leistungstransistor periodisch aus einem Zustand hoher Stromleitung in einen Zustand annähernd vollständiger Sperrung übergeführt werden können, wobei die am Leistungstransistor auftretende Erwärmung um so geringer wird,
je schneller sich der Übergang von einem dieser Zustände in den anderen vollzieht. Eine hohe Genauigkeit der Spannungsregelung ergibt sich bei einem Regler der eingangs beschriebenen Art, der gemäss der Erfindung im Eingangskreis. des Steuertransistors eine an die zu regelnde Spannung angeschlossene Zenerdiode und wenigstens eine Wicklung des Transformators enthält, wobei die Transformatorwicklung eine positive Rückkopplung zur Erzeugung selbsterregter Schwingungen durch den Steuertransistor ergibt, wenn und solange die zu regelnde Spannung ihren Sollwert erreicht bzw. überschreitet.
Weitere Verbesserungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 das Schaltschema der Lichtanlage samt Regeleinrichtung, Fig. 2 ein Schaubild für den Potentialverlauf an der Basis des Leistungstransistors der Regeleinrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Regeleinrichtung.
Die Lichtanlage nach Fig. 1 enthält einen Drehstromgenerator 10 mit drei im Ständer des Generators untergebrachten Wicklungen 11, 12 und 13 und einer auf dem umlaufenden Anker sitzenden Erregerwicklung 14 sowie eine Batterie 15, deren Minuspol über eine Leitung 16 und deren Pluspol über eine Leitung 18 mit einer Gleichri'chteranordnung 20 verbunden ist, die aus sechs einzelnen Einweggleichrichtern 21 besteht.
Bei vier der sechs Gleichrichter 21, die paarweise hintereinandergeschaltet zwischen der Minusleitung 16 und der Plusleitung 18 liegen, sind die
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Verbindungspunkte jeweils eines Gleichrichterpaares an den Verbindungspunkt der Wechselstromwicklun- gen 11 und 12 bzw. 12 und 13 des Generators 10 angeschlossen. Zwischen dem Verbindungspunkt des dritten Gleichrichterpaares und dem Verbindungspunkt der beiden Generatorwicklungen 11 und 13 ist die Primärwicklung 23 eines Stromtransformators eingeschaltet, der auf einem bei 24 angedeuteten Eisenkern zwei Wicklungshälften 25 und 26 einer Sekundärwicklung trägt.
Zwischen den Enden der Sekundärwicklung liegen zwei Belastungswiderstände, die aus einem Festwiderstand 27 von etwa 10 Ohm und einem veränderbaren Widerstand 28 von ebenfalls etwa 10 Ohm bestehen. Von den Wicklungsenden der Sekundärwicklung führen ausserdem zwei in der angedeuteten Richtung stromdurchlässige Gleichrichter 30 und 31 zum Pluspol eines Elektro- lytkondensators 32, dessen Minuspol mit dem Mittel- abgriff zwischen den Wicklungshälften 25 und 26 verbunden ist.
Die am Kondensator 32 entstehende Spannung U, ist annähernd proportional dem Belastungsstrom JL, der vom Generator 10 zu der Batterie 15 fliesst, sobald die Spannung U, zwischen den Leitungen 16 und 18 grösser wird als die dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende Spannung der Batterie 15.
Die vom Generator 10 gelieferte Spannung U, wird auf einem gleichbleibenden Wert von 28 Volt mit Hilfe einer Regeleinrichtung gehalten, die im folgenden beschrieben ist.
Die Regeleinrichtung enthält einen Leistungstransistor 40 und einen zur Steuerung dieses Transistors dienenden zweiten Transistor 41, einen zwischen beiden Transistoren angeordneten Transformator 42, eine in Sperrichtung beanspruchte Zener- diode 43 sowie einen in seiner Durchlassrichtung betriebenen, nichtlinearen Stromleiter 44, der im Durchlassbereich bei einer angelegten Spannung von etwa 0,3 Volt einen scharfen Knick in seiner Stromspannungskennlinie aufweist.
Dieser Stromleiter hat für die Arbeitsweise der Regeleinrichtung in verschiedener Hinsicht wesentliche Aufgaben zu erfüllen und ist mit einer seiner beiden Elektroden an die Plusleitung 18, mit seiner anderen Elektrode an den Verbindungspunkt P der mit 45 und 46 bezeichneten beiden Sekundärwicklungen des Transformators 42 angeschlossen. Die Wicklung 45 weist nur 20 Windungen auf und ist mit ihrem freien Ende sowohl an einen Germaniumgleichrichter 48, der zur Basis des Transistors 40 führt, als auch mit dem Emitter E des Steuertransistors 41 verbunden. Die auf dem gleichen, bei 49 angedeuteten Eisenkern des Transformators 42 sitzende Primärwicklung 50 weist ebenso wie die Sekundärwicklung 46 150 Windungen auf.
Sie liegt mit ihrem einen Ende am Kollektor K des Steuertransistors 41 und mit ihrem anderen Wick- lungSende an der Minusleitung 16. Das freie Wicklungsende der Sekundärwicklung 46 ist über einen Gleichrichter 52 ebenfalls an die Basis B des Leistungstransistors 40 geführt. Die Basis dieses Tran- sistors liegt ausserdem über einen Widerstand 55 an der Minusleitung 16.
Von der Basis des Leistungstransistors 40 zweigt ferner eine Verbindungsleitung 56 ab, die zum Pluspol des Kondensators 32 der eingangs beschriebenen Stromregeleinrichtung führt. An den Minuspol des Kondensators 32 ist die Ableitungselektrode einer Germaniumdiode 60 angeschlossen, die mit ihrer Zuleitungselektrode an dem verstellbaren Abgriff 61 eines Potentiometers 62 liegt. Das eine der beiden Enden des Potentiometers 62 ist über einen Widerstand 63 von etwa 50 Ohm mit der Plusleitung 18 verbunden, während das andere Ende über einen Widerstand 64 von etwa 150 Ohm an die Minusleitung 16 angeschlossen ist. Die zwischen dem Schleifer 61 und der Plusleitung 18 wirksame Spannung ist in der Zeichnung mit Us angedeutet.
An dieser Spannung liegt ein Kondensator 65 von etwa 1 pF und die bereits erwähnte Zenerdiode 43, die zur Basis B des Steuertransistors 41 führt. Die Basis dieses Transistors liegt über einen Widerstand 66 von etwa 100 Ohm an der Plusleitung 18.
Die Lichtanlage arbeitet in Verbindung mit der beschriebenen Regeleinrichtung folgendermassen: Sobald der Wechselstromgenerator 10 beim Anwerfen der Brennkraftmaschine des Fahrzeuges mit einer bei etwa 500 U;min liegenden Mindestdrehzahl angetrieben wird, entsteht infolge der in seinen Eisenteilen vorhandenen Remanenz in den Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13 eine, wenn auch kleine, Wechselspannung, die über die Gleichrichter 21 an die Plus- und Minusleitung gelangt. Diese Spannung reicht aus, um über die Erregerwicklung 14 und dem in diesem Falle stromleitenden Transistor 40 einen kleinen. Erregerstrom Jr zu führen, der seinerseits eine erhöhte induzierte Spannung in den Wech- selstromwicklungen 11, 12 und 13 zur Folge hat.
Infolge dieser Selbsterregung erreicht bei genügender Antriebsdrehzahl des Generators 10 die Generatorausgangsspannung Um zwischen den Leitungen 16 und 18 rasch einen Wert, der höher liegt als die von dem jeweiligen Ladungszustand abhängige Spannung der Batterie 15. In diesem Falle beginnt über den im Zuge der Plusleitung 18 liegenden Rückstromgleich- richter 70 ein Strom JL in der angezeichneten Pfeilrichtung zu fliessen, durch den die Batterie über ihren augenblicklichen Ladungszustand hinaus weiter aufgeladen wird.
Sobald jedoch die zwischen den beiden Leitungen 16 und 18 entstehende Spannung den Wert von 28 Volt überschreitet, wird die Spannung U, am Schleifer des Potentiometers 62 grösser als 8 Volt, und die für diesen Wert bemessene Zener- diode 43 vermag von der Basis B des Steuertransistors 41 einen zur Minusleitung 16 fliessenden Steuerstrom J, zu führen. Dadurch wird der seither gesperrte Steuertransistor 41 stromleitend und erzeugt sowohl einen über die Wicklung 45 gehenden Emitterstrom Je als auch einen über die Wicklung 50 gehenden Kollektorstrom J". Diese beiden Wicklungen sind so gepolt, dass sie eine Rückkopplungswirkung
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erzeugen.
Bei geringfügiger Zunahme des Kollektorstroms JI, entsteht im Sekundärwicklungsteil 45 eine Rückkopplungsspannung UIt, durch welche die Emit- ter-Basis-Spannung vergrössert und demzufolge auch der über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 41 fliessende Steuerstrom J6 verstärkt wird. Dieser bewirkt seinerseits-wieder eine Vergrösserung des Kol- lektorstroms J". Sobald jedoch der Kollektorstrom Jk sich seinem durch die Rückkopplung und die Stromverstärkung des Transistors 41 festgelegten und durch die Höhe der Batteriespannung bzw.
der Generatorspannung U#_ begrenzten Höchstwert nähert, wird die in der Wicklung 45 induzierte, den Transistor 41 in seinem voll stromleitenden Zustand haltende Spannung Up; an der Sekundärwicklung 45 immer kleiner. Dies hat zur Folge, dass auch der seither nur noch schwach zunehmende Kollektorstrom J1, in dieser Höhe nicht mehr aufrechterhalten werden kann und abzufallen beginnt. Dies erzeugt jedoch in der Wicklung 45 eine der vorher wirksam gewesenen Spannung Ua entgegengesetzte Spannung UT, die bewirkt, dass der Transistor 41 in seinen ursprünglichen Sperrzustand zurückkehrt.
Nach dieser Sperrschwingung verbleibt der Steuertransistor 41 in seinem Sperrzustand, sofern durch den im folgenden beschriebenen Regelvorgang die im Schleifer 61 wirksame Spannung U, inzwischen unter die Durchbruchspannung der Zenerdiode 43 von 8 Volt abgesenkt worden ist. Falls dies noch nicht erreicht wurde und die Generatorspannung U". immer noch zu hoch ist, erzeugt der Steuertransistor 41 sofort wieder eine neue Sperrschwingung.
Die eben beschriebene Sperrschwingung hat nämlich zur Folge, dass sowohl zu Anfang wie auch am Ende der Sperrschwingung je ein Spannungsimpuls UIt bzw. UT in den Wicklungen 45 und 46 erzeugt wird. Diese Impulse laden den zwischen dem Verbindungspunkt P der Wicklungen 45 und 46 einerseits und der Basis des Transistors 40 anderseits liegenden Kondensator 80 zu einer solch starken positiven Spannung auf, dass die Basis des Leistungstransistors 40 wesentlich stärker positiv wird als der Emitter E des Leistungstransistors 40.
Der Leistungstransistor 40 wird daher mit dem Einsetzen der vom Steuertransistor 41 hervorgerufenen Sperrschwingung sofort gesperrt, und der seither über die Erregerwicklung 14 fliessende Feldstrom Jr wird stark verkleinert. Der zur Wicklung 14 parallel geschaltete Gleichrichter 81 hat hierbei lediglich die Aufgabe, die in der Wicklung 14 entstehenden Spannungsspitzen unschädlich zu machen. Für die Wirkungsweise der Anlage hat er jedoch keine ausschlaggebende Bedeutung. Mit der Abnahme des Erregerstromes Jr geht auch die in den Wicklungen 11 bis 13 des Generators 10 induzierte Spannung zurück und lässt die zwischen der Minusleitung 16 und der Plusleitung 18 wirksame, am Schleifer 61 abgegriffene Spannung absinken.
Erst wenn die von den Spannungsimpulsen in den Sekundärwicklungen 45 und 46 erzeugte Ladung des Kondensators 80 sich über den Widerstand 55 prak- tisch entladen hat, wird der Leistungstransistor 40 selbsttätig wieder stromleitend, da dann die Emitter- Basisspannung des Transistors 40 nur noch durch das Potential des Punktes P bestimmt wird. Die zwischen P und dem nichtlinearen Stromleiter 44 entstehende Spannung U, behält wegen des zwischen dem Verbindungspunkt P und der Minusleitung 16 eingeschalteten Widerstandes 82 einen konstanten Wert von 0,3 Volt.
Dieser Wert ist durch die Schwell- oder Schleusenspannung des im Stromleiter 44 verwendeten Germaniums bestimmt. Sobald der Leistungstransistor 40 wieder leitend wird, beginnt die Generatorspannung U,. wieder zu steigen. Der Transistor 40 bleibt so lange stromleitend, bis die vom Generator 10 erzeugte Spannung U,. den Sollwert von 28 Volt wieder erreicht hat. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem beginnen.
In Verbindung mit der eben beschriebenen Spannungsregelung wird ein Stromregelungsvorgang dann wirksam, wenn der über die Plusleitung fliessende Belastungsstrom JL des Generators 10 einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet.
Zur Aufrechterhaltung des Belastungsstromes JL muss nämlich vom Verbindungspunkt der Wechselsbromwicklungen 11 und 13 des Generators 10 über die Primärwicklung 23 des Stromtransformators zum Gleichrichter 20 ein Wechselstrom geführt werden, der in den beiden Sekundärwicklungen 25 und 26 des Stromtransformators eine Spannung erzeugt, die den Kondensator 32 auf eine mit steigendem Laststrom JL annähernd linear anwachsende Ladespannung U, auflädt. Solange diese Spannung unter einem Wert von 8 V liegt, hat sie auf die Auslösung von Sperrschwingvorgängen im Steuertransistor 41 keinen Einfluss, da in diesem Falle der Gleichrichter 60 gesperrt ist.
Wenn dagegen der Laststrom JL sich seinem Höchstwert nähert, nimmt die Spannung U, einen Wert von annähernd 8 Volt an, der dazu führt, dass der Gleichrichter 60 stromleitend wird, auch wenn die, am Schleifer 61 des Potentiometers 62 abgegriffene Spannung US und mit dieser die Ausgangsspannung des Generators U, diesen Wert nicht erreicht.
In diesem Falle wird die Zenerdiode 43 ebenfalls stromleitend und erzeugt fast unabhängig von der Höhe der jeweils vorhandenen Klemmenspannung des Genera- tors im Steuertransistor 41 eine der vorher beschriebenen Sperrschwingungen, durch die der Leistungstransistor kurzzeitig gesperrt wird.
Die in Fig.3 dargestellte Regeleinrichtung ist ebenfalls zum Betrieb einer als Dreiphasen-Dreh- stromgenerator ausgebildeten Lichtmaschine G bestimmt. Diese dient zur Stromversorgung von Verbrauchern (Scheinwerfer, Zündanlage usw.) eines Kraftfahrzeuges und arbeitet mit einer Batterie B zusammen, die bei Stillstand des Generators die Stromversorgung der Verbraucher übernimmt.
Der Generator hat drei Ausgangsklemmen R, S und T. Diese sind einzeln an die Verbindungspunkte eines Vollweggleichrichters G1 angeschlossen, der aus sechs Einweggleichrichtern zusammengesetzt ist. Seine
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Pluselektrode ist über eine Leitung 110 mit dem beweglichen Schaltarm 111 eines Schalters verbunden, dessen Spannungsspule in der Zeichnung mit SP bezeichnet und an einen Gleichrichter G2 angeschlossen, der mit den beiden Phasen R und T des Gene- rators verbunden ist.
Der mit dem beweglichen Schaltarm 111 zusammenarbeitende Kontakt 115 des Schalters ist an die Plusklemme der Batterie B angeschlossen.
Die Regeleinrichtung selbst enthält einen Leistungstransistor Trl, einen als Sperrschwing-Oszillator geschalteten Steuertransistor Tr2 und einen zur Kopplung beider Transistoren dienenden Transformator mit einer Primärwicklung 117 und einer Sekundärwick- lung 118. Jede der Wicklungen hat einen an die Minusleitung 112 angeschlossenen Mittelabgriff.
Als wesentliche Bestandteile enthält die Regeleinrichtung zwei Zenerdioden Z1 und Z2, die jeweils in ihrer Sperrichtung betrieben werden. Die Zener- dioden enthalten in bekannter Weise einen Halbleiterkörper aus hochgereinigtem Germanium oder Silizium, dem auf je etwa 101s Atome dieser Stoffe jeweils ein Fremdatom beigemischt ist, das eine bestimmte Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers ergibt. Durch Einlegieren von Metallen der entgegengesetzten Leitfähigkeit sind in den Halbleiterkörper Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit erzeugt.
An jede der Zonen verschiedener Leitfähigkeit ist bei jeder Zener- diode eine Anschlusselektrode angelötet. Die jeweils an Zonen gleicher Leitfähigkeit angelöteten Anschlüsse beider Dioden sind mit der Basis des Steuertransistors Tr2 verbunden.
Mit ihrer anderen Elektrode liegt die Zenerdiode Z1 an einem an die zu regelnde Spannung angeschlossenen Spannungsteiler, der aus den Widerständen R6 und R7 gebildet wird. Die Zenerdiode Z2 dagegen, die zur Regelung in Abhängigkeit von dem Generatorlaststrom bestimmt ist, liegt an einem Widerstand R9, der zusammen mit einem veränderbaren Widerstand R 1 in Reihe geschaltet und an die Plusleitung 110 angeschlossen ist.
Vom Verbindungspunkt der Zenerdiode Z2 mit dem Wi'd'erstand R9 führt eine Leitung 113 zur Mittelanzapfung eines Stromwandlers W, dessen Primärwicklung in die Verbindungsleitung von der Phasenklemme R des Generators G zum Gleichrichter G1 eingeschaltet ist. Die beiden Wicklungsenden des Stromwandlers W sind jeweils an einen von zwei Gleichrichtern angeschlossen, die in der Zeichnung mit G3 angedeutet sind und mit ihren Pluselektroden an der Plusleitung 110 liegen.
Die Spannungsregelung erfolgt in ähnlicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, sobald das Potential des Verbindungspunktes der Widerstände R6 und R7 auf die Durchbruchspannung der Zener- diode Z1 angestiegen ist.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach. Fig. 1 erfolgt die Stromregelung hier über die zweite Zenerdiode Z2. Diese wird unabhängig von der Höhe der zwischen den Leitungen 110 und 112 herrschen- den Klemmenspannung dann stromleitend, wenn infolge hoher Belastung durch einen zu starken Verbraucher oder einen Kurzschluss im Verbrauchernetz der in der Verbindungsleitung von der Klemme R zum Gleichrichter G1 fliessende Wechselstrom in der Sekundärwicklung des Wandlers W eine solch grosse Spannung erzeugt,
dass die an den Widerständen R9 und R 11 entstehende Gleichspannung U9 den Durchbruchswert der Zenerdiode Z2 überschreitet. Die dann stromleitend werdende Zenerd'iode Z2 bringt den Transistor Tr2 ebenfalls in sein Verstärkungsgebiet, so dass dieser wie bei der beschriebenen Spannungsregelung selbsterregte Sperrschwingungen hervorruft, von denen jede einzelne in der Sekundärwicklung 118 des Übertragers ü ein Sperrimpulspaar erzeugt, das den Leistungstransistor kurzzeitig sperrt.
Der besondere Vorteil bei der beschriebenen Verwendung von zwei Zenerdioden besteht darin, dass der Spannungsregelungsvorgang praktisch völlig unabhängig von dem Stromregelungsvorgang erfolgt und umgekehrt. Dabei hat es sich als zweckmässig erwiesen, den Widerstand R7, wie mit unterbrochenen Linien in der Zeichnung angedeutet, mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R 11 zu verbinden und zwischen dem Widerstand R7 und der Plusleitung einen Kondensator C4 von einigen pF anzuordnen. In diesem Falle erhält man nämlich eine Regelkennlinie, die auch bei steigendem Laststrom eine praktisch vollkommen konstant bleibende Spannung zwischen den Leitungen 10 und 12 ergibt.
Man kann sogar, falls dies erwünscht ist, durch Vergrössern des veränderbaren Widerstandes R 11 den Regler so einstellen, dass bis zu dem zulässigen Höchstwert des Laststromes, bei dem die Stromregelung einsetzt, die eingeregelte Spannung U zwischen den Leitungen 110 und 112 mit zunehmendem Laststrom ebenfalls schwach ansteigt. Wenn der Widerstand R9, wie in der Zeichnung dargestellt, ebenfalls veränderlich ist, kann man mit diesem denjenigen Wert des Laststromes einstellen, bei dem die Stromregelung einsetzen soll.
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Control device for alternator driven with alternating speed, in particular in a motor vehicle The invention relates to an automatic, current and voltage-dependent control device for alternating-speed driven, shunt-excited generator which, in addition to a power transistor connected in series with the excitation winding of the generator, also has a control this transistor serving second transistor (control transistor) contains, the output circuit of which is coupled to the power transistor via a transformer.
Such control devices have the task of keeping the voltage available at the output terminals of the generator at a value that remains as constant as possible, regardless of the respective load current. This regulation condition is particularly difficult to meet with alternators for motor vehicles because when operating motor vehicles, not only does the drive speed of the alternator fluctuate within very wide limits, but also the power requirements of the consumers to be fed from the alternator, depending on the time of year and day having.
In order that the regulated voltage is kept at least approximately at the same value even with high load currents as when the generator is idling, it must be ensured that the control device has a high voltage sensitivity. Since it is also important, taking into account the manufacturing costs, to be able to get by with the smallest possible transistors, the power transistor connected in series with the excitation winding of the generator must be able to periodically be transferred from a state of high current conduction to a state of almost complete blocking, with the power transistor the heating that occurs becomes less,
the faster the transition from one of these states to the other takes place. A high level of accuracy of the voltage regulation results in a regulator of the type described at the outset, which according to the invention is in the input circuit. of the control transistor contains a Zener diode connected to the voltage to be regulated and at least one winding of the transformer, the transformer winding providing positive feedback for generating self-excited oscillations through the control transistor if and as long as the voltage to be regulated reaches or exceeds its setpoint.
Further improvements and advantageous embodiments of the invention are described and explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments.
It shows: FIG. 1 the circuit diagram of the lighting system including the control device, FIG. 2 a diagram for the potential profile at the base of the power transistor of the control device according to FIG. 1, FIG. 3 a circuit diagram of a further control device.
The lighting system according to FIG. 1 contains a three-phase generator 10 with three windings 11, 12 and 13 housed in the stator of the generator and an excitation winding 14 sitting on the rotating armature, as well as a battery 15, the negative pole of which is via a line 16 and the positive pole of which is via a line 18 is connected to a rectifier arrangement 20, which consists of six individual half-wave rectifiers 21.
In four of the six rectifiers 21, which are connected in series in pairs between the negative line 16 and the positive line 18, the
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Connection points of a rectifier pair are connected to the connection point of the alternating current windings 11 and 12 or 12 and 13 of the generator 10. Between the connection point of the third rectifier pair and the connection point of the two generator windings 11 and 13, the primary winding 23 of a current transformer is switched on, which carries two winding halves 25 and 26 of a secondary winding on an iron core indicated at 24.
Between the ends of the secondary winding are two load resistors, which consist of a fixed resistor 27 of about 10 ohms and a variable resistor 28 of also about 10 ohms. In addition, two rectifiers 30 and 31 which are permeable to current in the indicated direction lead from the winding ends of the secondary winding to the positive pole of an electrolyte capacitor 32, the negative pole of which is connected to the center tap between the winding halves 25 and 26.
The voltage U, arising at the capacitor 32, is approximately proportional to the load current JL, which flows from the generator 10 to the battery 15 as soon as the voltage U, between the lines 16 and 18 is greater than the voltage of the battery 15 corresponding to the respective operating state.
The voltage U supplied by the generator 10 is kept at a constant value of 28 volts with the aid of a control device which is described below.
The control device contains a power transistor 40 and a second transistor 41 used to control this transistor, a transformer 42 arranged between the two transistors, a reverse-biased Zener diode 43 and a non-linear current conductor 44 operated in its forward direction, which is in the forward range when a Voltage of about 0.3 volts has a sharp kink in its current-voltage characteristic.
This conductor has to fulfill essential tasks for the operation of the control device in various respects and is connected with one of its two electrodes to the positive line 18, with its other electrode to the connection point P of the two secondary windings of the transformer 42, designated by 45 and 46. The winding 45 has only 20 turns and its free end is connected both to a germanium rectifier 48, which leads to the base of the transistor 40, and to the emitter E of the control transistor 41. The primary winding 50 seated on the same iron core, indicated at 49, of the transformer 42, like the secondary winding 46, has 150 turns.
One end of it is connected to the collector K of the control transistor 41 and the other end of the winding is connected to the negative line 16. The free winding end of the secondary winding 46 is also led to the base B of the power transistor 40 via a rectifier 52. The base of this transistor is also connected to the negative line 16 via a resistor 55.
From the base of the power transistor 40, a connecting line 56 also branches off, which leads to the positive pole of the capacitor 32 of the current regulating device described above. The discharge electrode of a germanium diode 60 is connected to the negative pole of the capacitor 32 and its lead electrode is connected to the adjustable tap 61 of a potentiometer 62. One of the two ends of the potentiometer 62 is connected to the positive lead 18 via a resistor 63 of approximately 50 ohms, while the other end is connected to the negative lead 16 via a resistor 64 of approximately 150 ohms. The voltage effective between the wiper 61 and the positive line 18 is indicated in the drawing by Us.
A capacitor 65 of approximately 1 pF and the already mentioned Zener diode 43, which leads to the base B of the control transistor 41, are connected to this voltage. The base of this transistor is connected to the positive line 18 via a resistor 66 of approximately 100 ohms.
The lighting system works in connection with the described control device as follows: As soon as the alternating current generator 10 is driven at a minimum speed of around 500 rpm when the internal combustion engine of the vehicle is started, the remanence in its iron parts occurs in the alternating current windings 11, 12 and 13 an alternating voltage, albeit a small one, which reaches the plus and minus lines via the rectifier 21. This voltage is sufficient to generate a small amount via the excitation winding 14 and the transistor 40, which in this case is conductive. To lead excitation current Jr, which in turn has an increased induced voltage in the AC windings 11, 12 and 13 result.
As a result of this self-excitation, when the drive speed of the generator 10 is sufficient, the generator output voltage Um between the lines 16 and 18 quickly reaches a value that is higher than the voltage of the battery 15, which is dependent on the respective state of charge. In this case, it starts above the voltage of the positive line 18 Reverse current rectifier 70 allows a current JL to flow in the direction of the arrow, by means of which the battery is further charged beyond its current state of charge.
However, as soon as the voltage generated between the two lines 16 and 18 exceeds the value of 28 volts, the voltage U, at the wiper of the potentiometer 62 is greater than 8 volts, and the Zener diode 43 measured for this value is capable of the base B of the Control transistor 41 to lead a control current J flowing to the negative line 16. As a result, the control transistor 41, which has since been blocked, becomes conductive and generates both an emitter current Je going through the winding 45 and a collector current J "going through the winding 50. These two windings are polarized so that they have a feedback effect
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produce.
With a slight increase in the collector current JI, a feedback voltage UIt arises in the secondary winding part 45, which increases the emitter-base voltage and consequently the control current J6 flowing through the emitter-base path of the transistor 41 is also increased. This in turn brings about an increase in the collector current J ″. However, as soon as the collector current Jk is determined by the feedback and the current gain of the transistor 41 and is determined by the level of the battery voltage or
the generator voltage U # _ approaches a limited maximum value, the voltage induced in the winding 45, which keeps the transistor 41 in its fully current-conducting state, is Up; on the secondary winding 45 ever smaller. As a result, the collector current J1, which has only increased slightly since then, can no longer be maintained at this level and begins to decrease. However, this generates in the winding 45 a voltage UT which is opposite to the voltage Ua which was previously effective and which causes the transistor 41 to return to its original blocking state.
After this blocking oscillation, the control transistor 41 remains in its blocking state, provided that the voltage U effective in the wiper 61 has meanwhile been lowered below the breakdown voltage of the Zener diode 43 of 8 volts by the control process described below. If this has not yet been achieved and the generator voltage U "is still too high, the control transistor 41 immediately generates a new blocking oscillation.
The just described blocking oscillation has the consequence that a voltage pulse UIt or UT is generated in the windings 45 and 46 both at the beginning and at the end of the blocking oscillation. These pulses charge the capacitor 80 between the connection point P of the windings 45 and 46 on the one hand and the base of the transistor 40 on the other hand to such a strong positive voltage that the base of the power transistor 40 becomes much more positive than the emitter E of the power transistor 40.
The power transistor 40 is therefore blocked immediately with the onset of the blocking oscillation caused by the control transistor 41, and the field current Jr which has been flowing since then via the excitation winding 14 is greatly reduced. The rectifier 81 connected in parallel to the winding 14 only has the task of rendering the voltage peaks occurring in the winding 14 harmless. However, it is of no decisive importance for the operation of the system. With the decrease in the excitation current Jr, the voltage induced in the windings 11 to 13 of the generator 10 also decreases and the voltage that is effective between the negative line 16 and the positive line 18 and is tapped at the wiper 61 drops.
Only when the charge of the capacitor 80 generated by the voltage pulses in the secondary windings 45 and 46 has practically discharged via the resistor 55, the power transistor 40 automatically becomes conductive again, since the emitter base voltage of the transistor 40 is then only due to the potential of point P is determined. The voltage U arising between P and the non-linear current conductor 44 maintains a constant value of 0.3 volts because of the resistor 82 connected between the connection point P and the negative line 16.
This value is determined by the threshold or lock voltage of the germanium used in the conductor 44. As soon as the power transistor 40 becomes conductive again, the generator voltage U 1 begins. to rise again. The transistor 40 remains conductive until the voltage U i generated by the generator 10. has reached the target value of 28 volts again. Then the game described can begin again.
In connection with the voltage regulation just described, a current regulation process becomes effective when the load current JL of the generator 10 flowing via the positive line exceeds a predetermined maximum value.
To maintain the load current JL, an alternating current must namely be fed from the connection point of the alternating bromine windings 11 and 13 of the generator 10 via the primary winding 23 of the current transformer to the rectifier 20, which generates a voltage in the two secondary windings 25 and 26 of the current transformer, which the capacitor 32 charges a charging voltage U, which increases almost linearly with increasing load current JL. As long as this voltage is below a value of 8 V, it has no influence on the triggering of blocking oscillation processes in the control transistor 41, since in this case the rectifier 60 is blocked.
On the other hand, when the load current JL approaches its maximum value, the voltage U, assumes a value of approximately 8 volts, which leads to the rectifier 60 becoming conductive, even if the voltage US tapped at the wiper 61 of the potentiometer 62 and with it the output voltage of the generator U does not reach this value.
In this case, the Zener diode 43 also conducts current and, almost independently of the level of the terminal voltage of the generator present in the control transistor 41, generates one of the previously described blocking oscillations by which the power transistor is blocked for a short time.
The control device shown in FIG. 3 is also intended to operate an alternator G designed as a three-phase alternator. This is used to power consumers (headlights, ignition system, etc.) of a motor vehicle and works together with a battery B, which takes over the power supply of the consumer when the generator is at a standstill.
The generator has three output terminals R, S and T. These are individually connected to the connection points of a full-wave rectifier G1, which is composed of six half-wave rectifiers. His
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The positive electrode is connected via a line 110 to the movable switching arm 111 of a switch whose voltage coil is designated SP in the drawing and is connected to a rectifier G2 which is connected to the two phases R and T of the generator.
The contact 115 of the switch cooperating with the movable switching arm 111 is connected to the positive terminal of the battery B.
The control device itself contains a power transistor Trl, a control transistor Tr2 connected as a blocking oscillator and a transformer serving to couple the two transistors with a primary winding 117 and a secondary winding 118. Each of the windings has a center tap connected to the negative line 112.
The control device contains two Zener diodes Z1 and Z2, which are each operated in their reverse direction, as essential components. The Zener diodes contain, in a known manner, a semiconductor body made of highly purified germanium or silicon, to which an impurity atom is added to each about 101s atoms of these substances, which results in a certain conductivity of the semiconductor body. By alloying metals with the opposite conductivity, zones of opposite conductivity are produced in the semiconductor body.
A connection electrode is soldered to each of the zones of different conductivity for each Zener diode. The connections of the two diodes which are soldered to zones of equal conductivity are connected to the base of the control transistor Tr2.
The other electrode of the Zener diode Z1 is connected to a voltage divider which is connected to the voltage to be regulated and which is formed from the resistors R6 and R7. The Zener diode Z2, on the other hand, which is intended for regulation as a function of the generator load current, is connected to a resistor R9, which is connected in series with a variable resistor R 1 and is connected to the positive line 110.
From the connection point of the Zener diode Z2 with the resistor R9, a line 113 leads to the center tap of a current transformer W, the primary winding of which is connected to the connection line from the phase terminal R of the generator G to the rectifier G1. The two winding ends of the current transformer W are each connected to one of two rectifiers, which are indicated in the drawing with G3 and which are connected to the positive line 110 with their positive electrodes.
The voltage regulation takes place in a similar way as in the embodiment according to FIG. 1 as soon as the potential of the connection point of the resistors R6 and R7 has risen to the breakdown voltage of the Zener diode Z1.
In contrast to the embodiment according to. 1, the current is regulated here via the second Zener diode Z2. Irrespective of the level of the terminal voltage between lines 110 and 112, this becomes conductive when the alternating current flowing in the connecting line from terminal R to rectifier G1 is in the secondary winding due to high load from an excessive consumer or a short circuit in the consumer network of the converter W generates such a large voltage,
that the DC voltage U9 developing at the resistors R9 and R 11 exceeds the breakdown value of the Zener diode Z2. The Zener diode Z2, which then becomes conductive, also brings the transistor Tr2 into its amplification area, so that, as with the voltage regulation described, it causes self-excited blocking oscillations, each of which generates a blocking pulse pair in the secondary winding 118 of the transformer that temporarily blocks the power transistor.
The particular advantage of using two Zener diodes as described is that the voltage regulation process takes place practically completely independently of the current regulation process and vice versa. It has proven to be useful to connect resistor R7, as indicated by broken lines in the drawing, to the junction of resistors R9 and R 11 and to arrange a capacitor C4 of a few pF between resistor R7 and the positive line. In this case, a control characteristic is obtained which results in a voltage between lines 10 and 12 that remains practically completely constant even with increasing load current.
If this is desired, the regulator can even be adjusted by increasing the variable resistor R 11 so that the regulated voltage U between lines 110 and 112 with increasing load current up to the maximum permissible value of the load current at which the current regulation starts increases slightly. If the resistor R9, as shown in the drawing, can also be changed, it can be used to set the value of the load current at which the current regulation should start.