DE19700116A1 - Lichtmaschine mit Spannungsregler - Google Patents

Lichtmaschine mit Spannungsregler

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    • H02P2101/45Special 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.
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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