DE19700116A1 - Lichtmaschine mit Spannungsregler - Google Patents
Lichtmaschine mit SpannungsreglerInfo
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- H02P2101/45—Special adaptation of control arrangements for generators for motor vehicles, e.g. car alternators
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Strom
generatoren mit Spannungsregler und insbesondere eine
Kraftfahrzeug-Lichtmaschine mit Spannungsregler zum
wahlweisen Liefern einer niedrigen Spannung oder einer
hohen Spannung.
Eine herkömmliche Kraftfahrzeug-Lichtmaschine zum wahl
weisen Liefern einer hohen Spannung oder einer niedrigen
Spannung ist beispielsweise aus dem Patent US 4,084,126
bekannt, in der eine Ausgangsspannung von der Lichtma
schine zwischen zwei Ausgangsspannungen, d. h. einer
niedrigen Spannung (14,4 V) und einer hohen Spannung
(40 V), umgeschaltet wird, wobei die hohe Spannung an
eine Hochspannungsanlage angelegt wird.
Ferner ist aus dem Patent US 4,143,313 ein herkömmlicher
Kraftfahrzeug-Spannungsregler bekannt, der die Spannungs
versorgung für ein fahrzeuginternes Netz steuert und in
dem eine Überspannungsschutzschaltung vorgesehen ist.
Da in der obenerwähnten herkömmlichen Lichtmaschine mit
Spannungsregler von der Lichtmaschine eine maximale
Ausgangsspannung erzeugt wird, wenn sie eine hohe Span
nung liefert, so daß in einer Hochspannungslast oder in
der Spannungsreglerschaltung aufgrund eines hohen Span
nungsstoßes oder dergleichen ein Durchbruch erfolgt,
besteht das Problem, daß eine sehr hohe Spannung erzeugt
wird (ungefähr 100 V), die nicht nur durch die herkömmli
che Überspannungsschutzschaltung beherrscht werden kann
und somit die Sicherheit des Fahrers gefährdet, der
zufällig die Hochspannungsanlage berührt.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um das
obenerwähnte Problem des Standes der Technik zu lösen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Lichtmaschine mit Spannungsregler zu schaffen, die einen
zweifachen Schutzmechanismus aufweist, der die Schutz
merkmale des Spannungsreglers und des Gleichrichters
kombiniert, um jegliches Auftreten einer Überspannung
aufgrund eines Anlagenfehlers sicher zu verhindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Lichtmaschine und einen Spannungsregler, die die in den
unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale besitzen.
Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungs
formen der vorliegenden Erfindung gerichtet.
Die erfindungsgemäße Lichtmaschine enthält: einen Genera
tor zum Erzeugen eines Wechselstroms mit Ankerwicklungen
und einer Feldwicklung, einen Gleichrichter mit mehreren
Gleichrichterelementen, wovon jedes eine intrinsische
Durchbruchspannung Vz (V) besitzt, um den Wechselstrom,
der von den Ankerwicklungen ausgegeben wird, in einen
Gleichstrom umzusetzen, sowie einen Spannungsregler, der
seinerseits enthält: eine Strombegrenzungseinrichtung,
die mit dem vom Gleichrichter über die Feldwicklung
ausgegebenen Gleichstrom gespeist wird, um einen Feld
strom zu begrenzen, der durch die Feldwicklung fließt,
eine Spannungserfassungseinrichtung für die Erfassung
einer Spannung des Gleichstromausgangs vom Gleichrichter
sowie eine Schutzsteuereinrichtung zum Steuern der Strom
begrenzungseinrichtung in Übereinstimmung mit einer
Beurteilung, welcher von zwei Werten einer erfaßten
Spannung bzw. einer vorgegebenen Schutzkappungsspannung
VB (V) größer ist, um dadurch den Feldstrom in der Weise
zu begrenzen, daß die Gleichspannung auf die Schutzkap
pungsspannung VB (V) oder darunter geregelt wird, wobei
zwischen der Durchbruchspannung Vz (V) und der Schutzkap
pungsspannung VB (V) die folgende Beziehung gilt:
Vz < VB.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Spannungsregler geschaffen, der enthält: eine
Feldstrom-Eingabeeinrichtung zum Eingeben eines Gleich
stroms, der durch eine Feldwicklung fließt, wobei der
Gleichstrom in einem Gleichrichter mit mehreren Gleich
richterelementen, wovon jedes eine intrinsische Durch
bruchspannung Vz (V) besitzt, aus einem von einem Wech
selstromgenerator mit Ankerwicklungen und Feldwicklung
erzeugten Wechselstrom umgesetzt worden ist, eine Strom
begrenzungseinrichtung zum Begrenzen des Feldstroms, der
durch die Feldstrom-Eingabeeinrichtung eingegeben wird;
eine Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer
Spannung des Gleichstroms, der vom Gleichrichter eingege
ben wird; sowie eine Schutzsteuereinrichtung zum Steuern
der Strombegrenzungseinrichtung entsprechend einer Beur
teilung, welcher von zwei Werten einer von der Spannungs
erfassungseinrichtung erfaßten Spannung bzw. einer vorge
gebenen Schutzkappungspannung VB (V) größer ist, wobei
der Feldstrom in der Weise begrenzt wird, daß die Span
nung des Gleichstroms, der im Gleichrichter aus dem
Wechselstrom erhalten wird, unter die Schutzkappungsspan
nung VB (V) geregelt wird, wobei zwischen der Schutzkap
pungsspannung VB (V) und der Durchbruchspannung Vz (V)
die folgende Beziehung besteht: Vz < VB.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
kann das Auftreten einer Überspannung aufgrund eines
Anlagenfehlers verhindert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut
lich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug nimmt; es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung
eines Wechselstromgeneratorsystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung
eines Spannungsreglers gemäß einer Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise der in
Fig. 1 dargestellten Steuervorrichtung gemäß ei
ner Ausführungsform der Erfindung angibt;
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild, das die Funk
tionsweise von Leistungszenerdioden in Fig. 1
veranschaulicht;
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung
eines Spannungsreglers gemäß einer weiteren Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 ein Diagramm,das die Spannungskennlinien relativ
zur Umgebungstemperatur des Spannungsreglers an
gibt.
Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine
Schaltungsanordnung eines Generatorsystems einschließlich
einer Lichtmaschine gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
Das in Fig. 1 gezeigte Generatorsystem gemäß einer Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine
Lichtmaschine 1, ein Relais 4 zum wahlweisen Umschalten
einer Leistungsversorgung von der Lichtmaschine 1 zwi
schen einer niedrigen Spannung und einer hohen Spannung,
um eine Niederspannungslast 3, die einen Scheinwerfer und
ein Radio, die bei 12 V betrieben werden, umfaßt, sowie
eine Hochspannungslast 5, mit der beispielsweise ein
elektrisch beheizter Katalysator (EHC) zum Reinigen der
Motorabgase beheizt, zu versorgen, sowie eine Steuerein
richtung 6 zum Steuern des Relais 4.
Die Kraftfahrzeug-Lichtmaschine 1 gemäß dieser Ausfüh
rungsform der Erfindung enthält eine Anordnung, in der
ein Wechselstromgenerator 10, ein Gleichrichter 11 und
ein Spannungsregler 13 kombiniert sind. In Fig. 1 enthält
der Wechselstromgenerator 10 Dreiphasen-Ankerwicklungen
10a, 10b und 10c in einer Y-Schaltung sowie eine Feld
wicklung 10d. Der Gleichrichter 11 enthält eine Dreipha
sen-Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit Gleichrichter
elementen aus Leistungszenerdioden 11a, 11b, 11c, 11d,
11e und 11f, wovon jede eine intrinsische Durchbruchspan
nung von ungefähr 30 V besitzt.
Das Relais 4, das den Ausgang des Generators umschaltet,
enthält einen normalerweise geschlossenen Kontakt 4a,
einen normalerweise geöffneten Kontakt 4b, einen bewegli
chen Kontakt 4c, eine Ankerspule 4d und dergleichen. Die
Steuereinrichtung 6 enthält eine Arithmetikeinheit 60,
einen Leistungs-MOS 61 und dergleichen. Ferner bezeichnet
das Bezugszeichen 2 eine Batterie mit einer niedrigen
Nennspannung, während das Bezugszeichen 7 einen Zünd
schalter bezeichnet, der vom Fahrer betätigt wird, um
einen (in der Zeichnung nicht gezeigten) Motor anzulassen
oder anzuhalten.
Fig. 2 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine
interne Schaltung des in Fig. 1 gezeigten Spannungsreg
lers 13 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung dar
stellt. Der Spannungsregler 13 enthält einen Lei
stungstransistor 131, eine Freilaufdiode 132, einen
Widerstand 133, eine Hauptspannungs-Erfassungsschaltung
13A, eine Hilfsspannungs-Erfassungsschaltung 13B sowie
Anschlüsse F, B, IG, S.
Die Hauptspannungs-Erfassungsschaltung 13A enthält einen
Transistor 134, einen Widerstand 137, eine Zenerdiode 138
und eine Diode 139b. Die Hilfsspannungs-
Erfassungsschaltung 13B, die als Schutzsteuereinrichtung
der Erfindung dient, enthält einen Widerstand 135, eine
Zenerdiode 136, eine Diode 139a und den Transistor 134.
Der Transistor 134 wird von der Hauptspannungs-
Erfassungsschaltung 13A und von der Hilfsspannungs-
Erfassungsschaltung 13B gemeinsam genutzt.
Beispielsweise sind die entsprechenden Anschlüsse B, IG
und S der Lichtmaschine 1 an entsprechende Anschlüsse B,
IG und S des Spannungsreglers 13 elektrisch angeschlos
sen. Die obenerwähnte kombinierte Anordnung der Lichtma
schine 1, in der der Wechselstromgenerator 10, der
Gleichrichter 11 und der Spannungsregler 13 integriert
sind, ist nicht darauf beschränkt, statt dessen kann die
Lichtmaschine eine andere Anordnung besitzen, in der
diese Komponenten getrennt oder unabhängig voneinander
vorgesehen sind, das Konzept der vorliegenden Erfindung
bleibt jedoch auf einen derartigen Spannungsregler eben
falls anwendbar.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 die Funktionswei
se eines Systems mit der obenerwähnten Konfiguration im
einzelnen beschrieben. Wenn der Zündschalter 7 geschlos
sen wird, wird eine Spannung von der Batterie 2 an den
Anschluß IG der Lichtmaschine 1, d. h. an den IG-Anschluß
des Spannungsreglers 13, angelegt. Dann fließt über einen
Widerstand 133 an die Basis des Leistungstransistors 131
im Spannungsregler 13 ein Strom, der den Leistungstransi
stor 131 auf Durchlaß schaltet, so daß ein Feldstrom zur
Feldwicklung 10d fließt.
Unter dieser Bedingung wird zunächst der Ladegenerator 1
durch eine (nicht gezeigte) Startvorrichtung betätigt,
woraufhin der Motor seinen Betrieb aufnimmt und, sobald
er in Betrieb ist, die Lichtmaschine antreibt, damit
diese Leistung erzeugt. Die erzeugte Leistung wird über
den Anschluß B der Lichtmaschine 1 und über dem normaler
weise geschlossenen Kontakt 4a des Relais 4 zur Batterie
2 und zur elektrischen Niederspannungslast 3, die sich
beide auf der Niederspannungsseite befinden, geliefert.
Da zu diesem Zeitpunkt der Anschluß S der Lichtmaschine
1, d. h. der Anschluß S des Spannungsreglers 13, mit der
Batterie 2 und mit der elektrischen Niederspannungslast 3
verbunden ist, kann gesagt werden, daß eine erzeugte
Spannung V auf der Niederspannungsseite über den Anschluß
S an die Hauptspannungs-Erfassungsschaltung 13A angelegt
wird. Mit anderen Worten, eine niedrige Spannung die von
der Lichtmaschine 1 als erzeugte Spannung V über den
Anschluß B der Lichtmaschine 1 und das Relais 4 nach
außen ausgegeben worden ist, kann als indirekt über den
Anschluß S des Spannungsreglers 13 erfaßt angesehen
werden. Dann wird die Hauptspannungs-Erfassungsschaltung
13A in Abhängigkeit vom Wert der erfaßten Spannung auf
der Niederspannungsseite wie im folgenden beschrieben
betätigt.
Wenn die am Anschluß S erfaßte erzeugte Spannung V für
die Niederspannungsseite einen vorgegebenen Wert über
steigt, wird die Zenerdiode 138 zu einem Durchbruch
veranlaßt, wodurch der Transistor 134 auf Durchlaß ge
schaltet wird und der Leistungstransistor 131 gesperrt
wird. Dadurch wird der Feldstrom, der in die Feldwicklung
10d fließt und über den Anschluß F des Spannungsreglers
13, der die Feldstrom-Eingabeeinrichtung darstellt,
eingegeben wird, dazu veranlaßt, durch die Freilaufdiode
132 zu fließen und dabei gedämpft zu werden, so daß der
Feldstrom begrenzt wird. Hierbei enthält die Strombegren
zungseinrichtung gemäß dieser Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung den Leistungstransistor 131 und die
Freilaufdiode 132.
Wenn der Feldstrom begrenzt wird, nimmt die vom Anschluß
B der Lichtmaschine 1 aus gegebene erzeugte Spannung V ab,
so daß im Ergebnis eine Spannung auf der Niederspannungs
seite, die am Anschluß S erfaßt wird, kleiner als der
vorgegebene Wert wird, wodurch die Zenerdiode 138 den
Durchbruchzustand beendet, so daß der Transistor 134
gesperrt wird und folglich der Leistungstransistor 131
auf Durchlaß geschaltet wird, so daß der in die Feldwick
lung 10d fließende Feldstrom erhöht wird. Durch Wiederho
len der obenerwähnten Abläufe wird die erzeugte Spannung
V, d. h. die Spannung auf der Niederspannungsseite (die
an den Anschlüssen B und S erfaßt wird) in der Weise
geregelt, daß sie auf einem vorgegebenen Spannungswert,
beispielsweise einem konstanten Wert von 14,4 V in dieser
Ausführungsform der Erfindung, gehalten wird.
Die geregelte Spannung Vs, die eine durch die Hauptspan
nungs-Erfassungsschaltung 13A geregelte erzeugte Spannung
V ist, ist durch die folgende Gleichung (1) gegeben:
Vs = Vz(138) + Vf(139b) + VBE(134) (1)
wobei Vz(138): Durchbruchspannung (V) der Zenerdiode 138;
Vf(139b): Durchlaßspannung (V) der Diode 139b; und
VBE(134): Spannung (V) über der Basis und dem Emitter des
Transistors 134.
Nun wird die Steuervorrichtung 6 zum Steuern des Relais 4
zum Umschalten der Leistungsversorgung zwischen der
niedrigen Spannung und der hohen Spannung beschrieben.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise der
in Fig. 1 gezeigten Steuervorrichtung gemäß dieser Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Genau
er wird die Funktionsweise der Arithmetikeinheit 60 in
der Steuervorrichtung 6 erläutert. Die Operation beginnt
im Schritt 301, woraufhin ein Zeitgeber im Schritt 302
zurückgesetzt wird. Vom Schritt 303 bis zum Schritt 305
wird beurteilt, ob eine Leistungsversorgung an eine
elektrische Hochspannungslast 5 (Heizeinrichtung EHC)
eingeschaltet werden soll oder nicht. In dieser Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung wird die Leistungs
versorgung für die elektrische Last 5 eingeschaltet, wenn
sämtliche folgenden Bedingungen gleichzeitig erfüllt
sind:
- (1) die Zeit t seit dem Einschalten der Leistung ist kürzer als eine im voraus gesetzte Zeit t₀,
- (2) die Kühlwassertemperatur Tw ist niedriger als eine im voraus gesetzte Temperatur T₀ und
- (3) die Fahrgeschwindigkeit Vc ist niedriger als eine im voraus gesetzte Geschwindigkeit V₀.
Diese Einstellung impliziert, daß die Leistung an die
elektrische Hochspannungslast 5 nur unter Bedingungen
eingeschaltet wird, daß sich der Motor in der Aufwärmpha
se befindet und daß das Abgas nicht durch den Katalysator
gereinigt wird. Nachdem der Motor warmgelaufen ist, liegt
keine der vorangehenden Bedingungen (1), (2) und (3) vor,
so daß im Schritt 307 die Leistungsversorgung an die
elektrische Hochspannungslast 5 unterbrochen wird.
Wenn die Arithmetikeinheit 60 beurteilt, daß die elektri
sche Hochspannungslast 5 mit Leistung versorgt werden
sollte, wird der Leistungs-MOS 61 auf Durchlaß geschal
tet, so daß in die Erregerspule 4d des Relais 4 ein Strom
fließt, wodurch der elektrische Kontakt zwischen dem
beweglichen Kontakt 4c und dem normalerweise geöffneten
Kontakt 4b hergestellt wird. Bei dieser Einstellung ist
der Anschluß B der Lichtmaschine 1 mit der elektrischen
Hochspannungslast 5 verbunden. Alternativ sind die Batte
rie 2 und die elektrische Last 3 auf der Niederspannungs
seite von der Lichtmaschine 1 isoliert, so daß die Lei
stungsversorgung an die elektrische Niederspannungslast 3
nur von der Batterie 2 erfolgt.
Da der Kontakt des Relais 4 wie oben beschrieben umge
schaltet worden ist, steigt eine Spannung auf der Nieder
spannungsseite, die am Anschluß S (d. h. am Niederspan
nungs-Erfassungsanschluß) erfaßt wird, selbst dann nicht
an, wenn eine erzeugte Spannung V am Anschluß B auf der
Hochspannungsseite ansteigt. Dadurch wird der Lei
stungstransistor 131 konstant im Durchlaßzustand gehal
ten, wodurch die Lichtmaschine 1 ihre Ausgangsspannung
(erzeugte Spannung V) mehr und mehr erhöht. Dadurch kann
an die elektrische Hochspannungslast 5 die Leistung mit
maximaler Nennspannung, die von der Lichtmaschine 1
erzeugt werden kann, geliefert werden.
Die Schaltung gemäß dieser Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung besitzt, jedoch das Merkmal, daß sie dann,
wenn eine Ausgangsspannung von der Lichtmaschine 1 an
steigt, eine Hilfsspannungs-Erfassungsschaltung 13b
entsprechend einem Spannungswert betätigt, der über dem
Anschluß B des Spannungsreglers 13 erfaßt wird, der eine
Spannungserfassungseinrichtung für die direkte Erfassung
der erzeugten Spannung V des Wechselstroms ist, der vom
Gleichrichter 11 ausgegeben wird. Das heißt, wenn ein
Spannungswert auf der Hochspannungsseite, der am Anschluß
B (d. h. am Hochspannungs-Erfassungsanschluß) des Span
nungsreglers 13 erfaßt wird, eine im voraus gesetzte
Schutzkappungsspannung VB (V) übersteigt, triggert eine
Schutzsteuereinrichtung in Fig. 2, die durch die Hilfs
spannungs-Erfassungsschaltung 13B gegeben ist, den Tran
sistor 134 über die Zenerdiode 136 in der Hilfsspannungs-
Erfassungsschaltung 13B in den Durchlaßzustand, so daß
die Strombegrenzungseinrichtung, die den Leistungstransi
stor 131 und die Freilaufdiode 132 enthält, arbeitet, um
den vom Anschluß F gelieferten Feldstrom zu begrenzen.
Dadurch wird die von der Lichtmaschine 1 erzeugte und am
Anschluß B erfaßte Spannung V in der Weise geregelt, daß
sie der Spannung VB entspricht, die durch die folgende
Gleichung (2) ausgedrückt ist. Das heißt, daß die Schutz
kappungsspannung VB, zu der die erzeugte Spannung V durch
die Hilfsspannungs-Erzeugungsschaltung 13B geregelt
werden soll, durch die folgende Gleichung (2) gegeben
ist:
VB = Vz(136) + Vf(139a) + VBE(134) (2)
wobei Vz(136) : Durchbruchspannung (V) der Zenerdiode 136
und Vf(139a): Durchlaßspannung (V) der Diode 139a.
Mit anderen Worten, die Spannung V, die von der Lichtma
schine 1 erzeugt wird, kann auf die Schutzkappungsspan
nung VB begrenzt werden, indem jeder Wert der Spannungen
Vz(136), Vf(139a) und VBE(134) auf den jeweiligen vorge
gebenen Wert gesetzt wird.
Es wird angenommen, daß die Spannungsregelung unmöglich
wird, wenn das Relais 4 aufgrund eines Fehlers im Span
nungsregler 13, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlus
ses des Leistungstransistors 131, zur Hochspannungsseite
geschaltet wird. Da in diesem Fall die Hilfsspannungs-
Erfassungsschaltung 13b nicht arbeitet, steigen die in
den Ankerspulen 10a, 10b, 10c induzierten Spannungen an,
was für die erzeugte Spannung V einen unkontrollierten
Status zur Folge hat. In der Praxis wird jedoch die
Spannung VBmax am Anschluß B, welche die tatsächlich
erzeugte Spannung ist, durch die Schaltung von Fig. 4 auf
einen Wert begrenzt, der durch die folgende Gleichung
(3.1) ausgedrückt ist:
VBmax(a,b) = Vz(11d) - Vf(11a) (3.1)
wobei VBmax(a,b): Maximalspannung am Anschluß B der
tatsächlich erzeugten Spannung V unter der Annahme, daß
in der Ankerspule 10a ein maximales Potential anliegt und
in der Ankerspule 10c ein minimales Potential anliegt;
Vz(11d): Durchbruchspannung (V) der Leistungszenerdiode
11d; und Vf(11a): Durchlaßspannung (V) der Leistungs
zenerdiode 11a.
Fig. 4 ist ein Schaltbild, daß die Funktionsweise der
Leistungszenerdioden in Fig. 1 erläutert. Auf zwei Wegen
(4A, 4B), die in Fig. 4 durch unterbrochene Linien be
zeichnet sind, fließt ein Kurzschlußstrom. Falls jedoch
eine Differenz zwischen der Durchbruchspannung und der
Durchlaßspannung gering ist, sind die Größen der durch
die zwei Wege 4A, 4B fließenden Ströme im wesentlichen
gleich.
Das Beispiel von Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für in
Reihe geschaltete Ankerwicklungen 10a und 10c, um eine in
den Wicklungen erzeugte Spannung durch Leistungszenerdi
oden 11a, 11d und 11e, die daran angeschlossen sind, zu
begrenzen. Gleiches gilt für Kombinationen von Ankerwick
lungen von 10b und 10c sowie Ankerwicklungen 10a und 10b.
Jeder VBmax -Wert in jeder Kombination kann durch die
folgenden Gleichungen ähnlich wie durch Gleichung (3.1)
ausgedrückt werden:
VBmax(b,c) = Vz(11e) - Vf(11b) (3.2)
VBmax(c,a) = Vz(11f) - Vf(11c) (3.3)
VBmax(b,a) = Vz(11e) - Vf(11b) (3.4)
VBmax(c,b) = Vz(11f) - Vf(11c) (3.5)
VBmax(a,c) = Vz(11d) - Vf(11a) (3.6)
Wenn die in den Ankerwicklungen erzeugte Spannung zu
aufeinander folgenden Wechseln veranlaßt wird, wird die
Spannung VBmax am Anschluß B auf eine Spannung begrenzt,
die durch eine der Gleichungen (3.1) bis (3.6) gegeben
ist. Hierbei ist eine minimale Spannung VBmin am Anschluß
B durch einen minimalen Spannungswert definiert, der aus
den jeweiligen Spannungen von VBmax am Anschluß B gewählt
wird und durch die folgende Gleichung (3.7) gegeben ist:
VBmin = Min{VBmax(a,b), VBmax(b,a), VBmax(b,c),
VBmax(c,b), VBmax(c,a), VBmax(a,c)} (3.7)
Aus der obigen Beschreibung wird verständlich, daß eine
Spannung V, die von der Lichtmaschine 1 innerhalb ihrer
Nennkapazität erzeugt werden kann, durch die Durchbruch
spannung (V) und die Durchlaßspannung (V) begrenzt ist,
welche einer Gruppe von Leistungszenerdioden 11a bis 11f
des in dieser Ausführungsform der Erfindung verwendeten
Gleichrichters 11 eigentümlich sind.
Wenn der Spannungsregler 13 andererseits nicht fehler
haft, sondern normal arbeitet, wird die über dem Anschluß
B erfaßte erzeugte Spannung V auf einen Wert unterhalb
der Schutzkappungsspannung VB, die durch die Gleichung
(2) gegeben ist, begrenzt. Hierbei wird bevorzugt, daß
diese Schutzkappungsspannung VB niedriger als die minima
le Spannung VBmin des Anschlusses B ist, die durch die
Gleichung (3.7) definiert ist. Der Grund hierfür besteht
darin, daß die Schutzkappungsspannung VB dann, wenn sie
größer als die minimale Spannung VBmin des Anschlusses B
ist, d. h. wenn VB < VBmin gilt, für den Schutz der
Lichtmaschine 1 oder des Generatorsystems ohne Nutzen
ist. Dann fließt nämlich ein übermäßiger Strom durch die
Leistungszenerdioden 11a bis 11f, so daß diese Leistungs
zenerdioden durch ihre ununterbrochene ohmsche Erwärmung
zerstört werden, so daß der Gleichrichter 11 ausfällt.
Um das Auftreten eines Fehlers in den Leistungszener
dioden 11a bis 11f zu verhindern, muß die folgende Bezie
hung gemäß Gleichung (4) aufrechterhalten werden:
VBmin < VB (4)
Genauer muß die folgende Gleichung (5) erfüllt sein, die
aus den Gleichungen (3.1) bis (4) abgeleitet wird:
VBmin = Min{Vz(11a), Vz(11b), Vz(11c), Vz(11d),
Vz (11e) , Vz (11f) } -
Max{Vf(11a), Vf(11b), Vf(11c), Vf(11d),
Vf(11e), Vf(11f)} < VB (5)
Ein Wert von VBmin wird daher durch Subtrahieren der
maximalen Durchlaßspannung der Leistungszenerdioden 11a
bis 11f von der minimalen Durchbruchspannung der Lei
stungszenerdioden 11a bis 11f erhalten.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist jeder Wert
der Durchlaßspannungen Vf(11a) bis Vf(11f) ungefähr 1 V,
was im Vergleich zu dem Wert von 30 V der Durchbruchspan
nungen Vz(11a) bis Vz(11f) vernachlässigbar klein ist, so
daß die Gleichung (5) durch die folgende Gleichung (6)
ersetzt werden kann:
VBmin = Vzmin = Min{Vz(11a), Vz(11b), Vz(11c), Vz(11d),
Vz(11e), Vz(11f)} < VB (6)
Das heißt allgemein, daß die Durchlaßspannung Vf wesent
lich kleiner als die Durchbruchspannung Vz gesetzt ist,
so daß unter der Annahme der Subtraktion der als Sicher
heitsfaktor dienenden Durchlaßspannung, die vernachläs
sigbar klein ist und weggelassen werden kann, ein Wert
der Spannung VBmax am Anschluß B, die die erzeugte Span
nung V ist, durch die Durchbruchspannung Vz der Lei
stungszenerdioden 11a bis 11f bestimmt ist, genauer kann
die minimale Spannung VBmin über dem Anschluß B, die die
erzeugte Spannung V ist, als durch die minimale Durch
bruchspannung Vzmin, die ein Minimalwert der Durchbruch
spannungen der Leistungszenerdioden 11a bis 11f ist,
bestimmt angesehen werden kann.
Die obige Beschreibung kann folgendermaßen umformuliert
werden. Die Gleichung (6) definiert eine Beziehung,
derart, daß Vzmin VB, wobei solange, wie Gleichung (6)
erfüllt ist, kein Durchbruch in den Leistungszenerdioden
11a bis 11f auftritt, so daß während des Normalbetriebs
der Lichtmaschine 1 durch diese kein Kurzschlußstrom
fließt, d. h. solange, wie der Spannungsregler 13 nicht
ausfällt. Im Fall eines Ausfalls des Spannungsreglers 13
wird eine erzeugte Spannung V durch die Schutzkappungs
spannung VB begrenzt. Dadurch wird in jedem der obigen
Fälle die von der Lichtmaschine 1 erzeugte und der Hoch
spannungs-Leistungsversorgung dienende Spannung V auf
einen Wert unterhalb der minimalen Durchbruchspannung
Vzmin begrenzt.
Das heißt, daß die Lichtmaschine 1 gemäß dieser Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Hochspan
nung erzeugen kann, mit den folgenden zweifachen Sicher
heitsmerkmalen versehen ist:
- (1) eine erzeugte Hochspannung, die an eine Hochspan nungslast angelegt werden soll, wird auf den Wert ei ner Schutzkappungsspannung VB begrenzt; und
- (2) selbst wenn der Spannungsregler oder dergleichen ausfällt, wird die von der Lichtmaschine 1 erzeugte Spannung V auf einen Wert unterhalb der Durchbruch spannung Vz der Leistungszenerdioden begrenzt.
Weiterhin ist als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, mit
der jegliche Gefahr vermieden wird, daß der Fahrer einen
elektrischen Schlag erleidet, falls er zufällig mit dem
Hochspannungsschaltkreis in Kontakt gelangt, vorgesehen,
daß
- (3) die Schutzkappungsspannung VB (oder Durchbruchspan nung Vz) auf einen Wert gesetzt ist, der die Sicher heit des Fahrers nicht gefährdet.
Insbesondere ist eine für den Hochspannungsschaltkreis
bevorzugte Spannung im voraus auf einen Bereich festge
legt, der die Sicherheit des Fahrers nicht gefährdet, der
zufällig die Schaltung berührt. Ein Wert einer solchen
Sicherheitsspannung wird im Fall einer Gleichstromversor
gung im voraus auf höchstens 72 V und stärker bevorzugt
auf höchstens 48 V gesetzt.
Im nächsten Schritt werden entsprechende Dioden und
Transistoren ausgewählt, die sämtlich intrinsische Eigen
schaften besitzen, die jeder der Spannungen Vz(136),
Vf(139a) und VBE(134), die in Gleichung (2) angegeben
worden sind, entsprechen, damit sie an diese vorgegebene
Spannung angepaßt sind. Dann werden Leistungszenerdioden
mit einer intrinsischen Durchbruchspannung Vz als Gleich
richterelemente ausgewählt, um die Beziehung von Glei
chung (6), d. h. Vz < VB, zu erfüllen. Beispielsweise
können diese Auswahlreihenfolgen umgekehrt werden, wobei
dennoch die gleiche Wirkung erhalten wird. Andernfalls
kann die minimale Durchbruchspannung Vzmin übernommen
werden.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 eine weitere
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 5 ist ein schematisches Blockschaltbild, das die
interne Schaltung eines Spannungsreglers gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Im Span
nungsregler 13′ von Fig. 5 sind der Leistungstransistor
131, die Freilaufdiode 132 und der Widerstand 133 gleich
wie im Spannungsregler 13 der Fig. 1 und 2.
In Fig. 5 bilden ein Komparator 142, Teilerwiderstände
144a und 144b sowie eine Temperaturerfassungsschaltung
145, die eine negative Temperaturcharakteristik besitzt,
zusammen die Hauptspannungs-Erfassungsschaltung 13A von
Fig. 2, die eine Spannung auf der Niederspannungsseite
über dem Anschluß S erfaßt. Andererseits bilden ein
Komparator 141, Teilerwiderstände 143a und 143b, eine
Temperaturerfassungsschaltung 146, die eine positive
Temperaturcharakteristik besitzt, sowie ein UND-Gatter
140 zusammen die Hilfsspannungs-Erfassungsschaltung 13B
von Fig. 2, die eine Spannung auf der Hochspannungsseite
über dem Anschluß S erfaßt und regelt. Wenn die Hilfs
spannungs-Erfassungsschaltung 13B nicht enthalten ist,
ist der Einbau des UND-Gatters 140 nicht notwendig.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Schaltung mit
dem obenbeschriebenen Aufbau angegeben. Wenn eine Span
nung über dem Anschluß S höher als eine im voraus für die
Regelung gesetzte Spannung Vs wird, wird ein Ausgangs
signal vom Komparator 142 "niedrig", so daß ein Ausgangs
signal vom UND-Gatter 140 "niedrig" wird, weshalb der
Leistungstransistor 131 gesperrt wird. Andererseits wird
ein Ausgangssignal vom Komparator 141 selbst dann
"niedrig", wenn eine Spannung über dem Anschluß B die
Schutzkappungsspannung VB, deren Wert im voraus festge
legt ist, übersteigt, so daß der Leistungstransistor 131
gesperrt wird.
Fig. 6 zeigt die Spannungskennlinien in Abhängigkeit von
der Umgebungstemperatur des Spannungsreglers gemäß dieser
Ausführungsform der Erfindung. Wie durch die Linie (a) in
Fig. 6 gezeigt ist, besitzt die Regelungsspannung Vs die
Eigenschaft, daß sie bei abnehmender Umgebungstemperatur
ansteigt und bei zunehmender Umgebungstemperatur abnimmt.
Das heißt, daß sie einen negativen Temperaturgradienten
besitzt, so daß sie einen Ladestrom für die Batterie
erhöhen kann, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist.
Es gibt jedoch Fälle, in denen die Leistungszenerdioden
11a bis 11f einen positiven Temperaturgradienten in bezug
auf ihre Durchbruchspannung Vz besitzen, wie in Fig. 6
durch Strichlinien (c) angezeigt ist.
Daher kann die Schutzkappungsspannung VB, die in Fig. 6
durch die Linie (b) angezeigt ist, solchen Leistungs
zenerdioden mit positiven Temperaturgradienten entspre
chen. Durch Übernehmen einer positiven Temperatureigen
schaft der Temperaturerfassungsschaltung 146, die eine
Temperaturkompensationseinrichtung bildet, um eine Über
einstimmung mit dem positiven Temperaturgradienten der
Leistungszenerdioden zu schaffen, kann die Schutzkap
pungsspannung VB bei niedriger Umgebungstemperatur einen
niedrigen Wert und bei hoher Umgebungstemperatur einen
hohen Wert besitzen. Mit anderen Worten, der Spannungs
regler 13′ ist mit einer Temperaturkompensationseinrich
tung versehen, die die Schutzkappungsspannung VB (V)
kompensiert, die durch den Spannungsregler 13′ geregelt
wird, so daß Schwankungen der Kappungsspannung VB auf
grund von Veränderungen der Umgebungstemperatur Änderun
gen der intrinsischen Eigenschaft der Durchbruchspannung
Vz (V) der Leistungszenerdioden aufgrund der Änderungen
der Umgebungstemperatur entsprechen.
Gemäß der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung kann die Schutzkappungsspannung VB, die geregelt und
zur elektrischen Hochspannungslast 5 geliefert wird, auf
die maximale Spannung in der Umgebung der intrinsischen
Durchbruchspannung Vz (oder der minimalen Durchbruchspan
nung Vzmin) der Leistungszenerdioden gesetzt werden, so
daß die Leistungszufuhr an die elektrische Hochspannungs
last 5 auf eine maximale Nennspannung erhöht werden kann.
Wenn beispielsweise die elektrische Hochspannungslast 5
eine elektrische Heizeinrichtung zum Beheizen eines
Katalysators ist, der die Motorabgase reinigt, kann der
Katalysator nach dem Anlassen des Motors schnell aufge
heizt werden, so daß schädliche Stoffe aus den Abgasen
wirksam und schnell entfernt werden können.
Dennoch ist es für die Schutzkappungspannung VB wün
schenswert, daß sie einen Wert besitzt, der die Sicher
heit des Fahrers, der den Hochspannungsschaltkreis zufäl
lig berührt, nicht gefährdet, was mit der vorliegenden
Erfindung ebenfalls erfüllt wird.
Claims (6)
1. Lichtmaschine, mit
einem Wechselstromgenerator (10), der Ankerwick
lungen (10a-10c) und eine Feldwicklung (10d) enthält, um
einen Wechselstrom zu erzeugen, und
einem Gleichrichter (11) zum Gleichrichten des
von den Ankerwicklungen (10a-10c) ausgegebenen Wechsel
stroms in einen Gleichstrom in einer Gleichrichterschal
tung, die mehrere Gleichrichterelemente (11a-11f) ent
hält, wovon jedes eine intrinsische Durchbruchspan
nungcharakteristik (Vz) besitzt,
gekennzeichnet durch
einen Spannungsregler (13), der versehen ist mit
- - einer Strombegrenzungseinrichtung (131, 132), die mit dem vom Gleichrichter (11) ausgegebenen Gleich strom über die Feldwicklung (10d) versorgt wird, um einen Feldstrom zu begrenzen, der durch die Feldwicklung (10d) fließt,
- - einer Spannungserfassungseinrichtung (13A) zum Erfassen einer Gleichspannung des vom Gleichrichter (11) ausgegebenen Gleichstroms und
- - einer Schutzsteuereinrichtung (13B) zum Steuern der Strombegrenzungseinrichtung (131, 132) in Übereinstimmung mit einer Beurteilung, welcher der Werte der erfaßten Spannung bzw. einer vorgegebenen Schutzkap pungsspannung (VB) größer ist, um dadurch den Feldstrom in der Weise zu begrenzen, daß die Gleichspannung auf einen Wert geregelt wird, der gleich oder kleiner als die Schutzkappungsspannung (VB) ist,
wobei zwischen der Durchbruchspannung (Vz) und
der Schutzkappungsspannung (VB) die Beziehung Vz < VB
besteht.
2. Lichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß
dann, wenn ein Minimalwert der mehreren Durch
bruchspannungen (Vz), die jedem der mehreren Gleichrich
terelemente (11a-11f) eigentümlich sind, als minimale
Durchbruchspannung (Vzmin) angenommen wird, die folgende
Beziehung gilt: Vzmin < VB.
3. Lichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß
der Spannungsregler (13′) eine Temperaturkompen
sationseinrichtung enthält, die eine Schwankung der
Spannungen aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen der
vom Spannungsregler (13′) geregelten Schutzkappungsspan
nung (VB) in der Weise kompensiert, daß sie gleich einer
durch Umgebungstemperaturänderungen bedingten Schwankung
der intrinsischen Durchbruchspannungscharakteristiken
(Vz), die den Gleichrichterelementen (11a-11f) eigentüm
lich sind, ist.
4. Spannungsregler für eine Lichtmaschine (1), die
Ankerwicklungen (10a-10c) und eine Feldwicklung (10d)
besitzt, um einen Wechselstrom zu erzeugen,
gekennzeichnet durch
eine Feldstrom-Eingabeeinrichtung (13) zum Einge ben eines Feldstroms, der durch die Feldwicklung (10d) fließt, wobei der Feldstrom ein Gleichstrom ist, der in einem Gleichrichter (11) mit mehreren Gleichrichterele menten (11a-11f), wovon jedes eine intrinsische Durch bruchspannungscharakteristik (Vz) besitzt, umgesetzt worden ist,
eine Strombegrenzungseinrichtung (131, 132) zum Begrenzen des von der Feldstrom-Eingabeeinrichtung (13) eingegebenen Feldstroms,
eine Spannungserfassungseinrichtung (13A) für die Erfassung einer Spannung des Gleichstromausgangs des Gleichrichters (11), und
eine Schutzsteuereinrichtung (13B) zum Steuern der Strombegrenzungseinrichtung (131, 132) auf der Grund lage einer Beurteilung, ob der von der Spannungserfas sungseinrichtung (13A) erfaßte Spannungswert der oder der Wert der vorgegebenen Schutzkappungsspannung (VB) größer ist, wodurch der Feldstrom in der Weise begrenzt wird, daß die vom Gleichrichter (11) ausgegebene Gleichspannung auf einen Wert geregelt wird, der gleich oder kleiner als die Schutzkappungsspannung (VB) ist,
wobei die Schutzkappungsspannung (VB) relativ zur Durchbruchspannung (Vz) auf einem Wert gehalten wird, derart, daß gilt: Vz < VB.
eine Feldstrom-Eingabeeinrichtung (13) zum Einge ben eines Feldstroms, der durch die Feldwicklung (10d) fließt, wobei der Feldstrom ein Gleichstrom ist, der in einem Gleichrichter (11) mit mehreren Gleichrichterele menten (11a-11f), wovon jedes eine intrinsische Durch bruchspannungscharakteristik (Vz) besitzt, umgesetzt worden ist,
eine Strombegrenzungseinrichtung (131, 132) zum Begrenzen des von der Feldstrom-Eingabeeinrichtung (13) eingegebenen Feldstroms,
eine Spannungserfassungseinrichtung (13A) für die Erfassung einer Spannung des Gleichstromausgangs des Gleichrichters (11), und
eine Schutzsteuereinrichtung (13B) zum Steuern der Strombegrenzungseinrichtung (131, 132) auf der Grund lage einer Beurteilung, ob der von der Spannungserfas sungseinrichtung (13A) erfaßte Spannungswert der oder der Wert der vorgegebenen Schutzkappungsspannung (VB) größer ist, wodurch der Feldstrom in der Weise begrenzt wird, daß die vom Gleichrichter (11) ausgegebene Gleichspannung auf einen Wert geregelt wird, der gleich oder kleiner als die Schutzkappungsspannung (VB) ist,
wobei die Schutzkappungsspannung (VB) relativ zur Durchbruchspannung (Vz) auf einem Wert gehalten wird, derart, daß gilt: Vz < VB.
5. Lichtmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch
ein Schaltrelais (4) zum Umschalten eines Aus
gangs der Lichtmaschine (1) zwischen einer Niederspan
nungslast (3) und einer Hochspannungslast (5) und
eine Steuereinrichtung (6), die das Schaltrelais
(4) steuert.
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