DE19700116C2

DE19700116C2 - Lichtmaschine

Info

Publication number: DE19700116C2
Application number: DE19700116A
Authority: DE
Inventors: Keiichi Mashino; Yuji Maeda; Sakae Hikita
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1996-01-05
Filing date: 1997-01-03
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2017-01-04
Also published as: DE19700116A1; US5719488A; KR970060628A; JPH09191693A

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtmaschine.

Eine herkömmliche Kraftfahrzeug-Lichtmaschine zum wahlweisen Liefern einer hohen Spannung oder einer niedrigen Spannung ist beispielsweise aus dem Patent US 4,084,126 bekannt, in der eine Ausgangsspannung von der Lichtmaschine 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 Spannungsver sorgung für ein fahrzeuginternes Netz steuert und in dem eine Überspannungsschutzschaltung vorgesehen ist.

Da in der oben erwähnten herkömmlichen Lichtmaschine mit Spannungsregler von der Lichtmaschine eine maximale Ausgangs spannung erzeugt wird, wenn sie eine hohe Spannung liefert, so daß in einer Hochspannungslast oder in der Spannungsreglerschal tung aufgrund eines hohen Spannungsstoßes oder dergleichen ein Durchbruch erfolgt, besteht das Problem, daß eine sehr hohe Spannung erzeugt wird (ungefähr 100 V), die nicht nur durch die herkömmliche Überspannungsschutzschaltung beherrscht werden kann und somit die Sicherheit des Fahrers gefährdet, der zufällig die Hochspannungsanlage berührt.

Die DE-OS 39 19 562 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsversorgung für einen Heizwiderstand in einem Kraft fahrzeug. Ein regelbarer Generator liefert eine einstellbare Gleichspannung. Die Gleichspannung kann auf mehrere Werte einge stellt werden, beispielsweise auf einen, der höher ist als die Spannung im Fahrzeugnetz, um einen Heizwiderstand zu versorgen.

Aus der DE 33 09 529 C2 ist ein trafoloses Netzteil bekannt, bei dem zwei gegeneinander gerichtete Zenerdioden seriell in den Wechselstromkreis geschaltet sind.

Aus der DE-OS 196 00 074 A1 ist ein Fahrzeugbordnetz bekannt. Es weist einen Generator auf, der eine Drehspannung erzeugt. Diese wird von einem Diodengleichrichter in die erforderliche Bordnetz gleichspannung umgewandelt. Für den Gleichrichter sind Schaltun gen angesprochen, in denen Gleichrichter-, Schottky- oder Zener dioden zum Einsatz kommen.

Aus der DE-OS 40 16 574 A1 ist eine Einrichtung zur Begrenzung der Klemmenspannung bei einer Drehstromlichtmaschine bekannt. Die Schaltung weist einen Spannungsdiskriminator auf, der eine Über spannung erkennt und gegebenenfalls bei Lastabwurf induktiv gespeicherte elektrische Energie in Verlustwärme umzuwandeln bewirkt.

Aus der DE-OS 20 09 880 ist ein Überspannungsschutz bekannt. Er kommt in Fahrzeug-Bordnetzanlagen zum Einsatz und dient dem Über spannungsschutz bei Lastabwurf. Neben einem kurzschließenden Thyristor ist ein weiterer Steuerkreis vorgesehen, der auf die Generatorspannung Träger und mit herabgesetztem Ansprechwert reagiert.

Aus der JP 62274570 A ist die Herstellung einer wiederaufladbaren Zelle bekannt. Hier wird die intrinsische elektrische Kennlinie einer Zener-Diode ausgenützt.

Aus der DE-OS 43 00 574 A1 ist ein Gleichrichterinstrument für eine Fahrzeug-Drehstromlichtmaschinenausgabe bekannt. Der Dioden gleichrichter für den von der Lichtmaschine erzeugten Drehstrom ist aus Zenerdioden aufgebaut. Der Wechselstromgenerator weist Ankerwicklungen und eine Feldwicklung auf. Die Schaltung weist eine Steuerung zum Steuern eines Leistungstransistors auf, der den Erregerstrom der Erregerwicklung steuert.

Aus der DE-OS 26 44 643 ist ein Spannungsregler für Generatoren in Kraftfahrzeugen bekannt, der über die Feldwicklung des Läufers wirkt. Die Steuerung des Stroms in der Feldwicklung erfolgt mittels eines Steuertransistors, dessen Basis über einen mehrfach angezapften Spannungsteiler mit ggf. steuerbarem Stromfluß ange steuert wird.

Aus der DE-OS 30 06 109 A1 ist ein Batterieladesystem bekannt. Die Schaltung gemäß dortiger Fig. 8 erlaubt zum einen eine Notregelung beim Auftreten einer Unterbrechung der Ladeleitung und zum anderen eine unverzögerte Fehleranzeige.

Aus der US 4,985,670 ist ein Spannungsregler für Wechselstrom generatoren mit zwei unterschiedlichen Ausgangsspannungen bekannt. Hier kann mittels eines Relais zwischen einem Normalspannungsmodus und einem Hochspannungsmodus umgeschaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtmaschine anzugeben, die einen zweifachen und auch gegenüber Umgebungseinflüssen unempfindlichen Schutzmechanismus aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

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;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung eines Spannungsreglers;

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Steuervorrichtung 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; 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 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 dieser Ausfüh rungsform 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 beweglichen 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 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 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 den Leistungstransistor 131 und die Freilaufdiode 132.

Wenn der Feldstrom begrenzt wird, nimmt die vom Anschluß B der Lichtmaschine 1 ausgegebene 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, 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 dieser Aus führungsform 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 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 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 VB_max 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:

VB_max(a, b) = Vz(11d) - Vf(11a) (3.1)

wobei VB_max(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 Lob. Jeder VB_max-Wert in jeder Kombination kann durch die folgenden Gleichungen ähnlich wie durch Gleichung (3.1) ausgedrückt werden:

VB_max(b, c) = Vz(11e) - Vf(11b) (3.2)

VB_max(c, a) = Vz(11f) - Vf(11c) (3.3)

VB_max(b, a) = Vz(11e) - Vf(11b) (3.4)

VB_max(c, b) = Vz(11f) - Vf(11c) (3.5)

VB_max(a, c) = Vz(11d) - Vf(11a) (3.6)

Wenn die in den Ankerwicklungen erzeugte Spannung zu aufeinander folgenden Wechseln veranlaßt wird, wird die Spannung VB_max am Anschluß B auf eine Spannung begrenzt, die durch eine der Gleichungen (3.1) bis (3.6) gegeben ist. Hierbei ist eine minimale Spannung VB_min am Anschluß B durch einen minimalen Spannungswert definiert, der aus den jeweiligen Spannungen von VB_max am Anschluß B gewählt wird und durch die folgende Gleichung (3.7) gegeben ist:

VB_min = Min{VB_max(a, b), VB_max(b, a), VB_max(b, c), VB_max(c, b), VB_max(c, a), VB_max(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 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 VB_min 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 VB_min des Anschlusses B ist, d. h. wenn VB < VB_min 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:

VB_min < VB (4)

Genauer muß die folgende Gleichung (5) erfüllt sein, die aus den Gleichungen (3.1) bis (4) abgeleitet wird:

VB_min = 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 VB_min 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 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:

VB_min = Vz_min = 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 VB_max 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 VB_min über dem Anschluß B, die die erzeugte Spannung V ist, als durch die minimale Durch bruchspannung Vz_min, 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 Vz_min < 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 Vz_min begrenzt.

Das heißt, daß die Lichtmaschine 1 gemäß dieser Ausfüh rungsform, 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

1. 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 Vz_min übernommen werden.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 eine weitere Ausführungsform beschrieben.

Fig. 5 ist ein schematisches Blockschaltbild, das die interne Schaltung eines Spannungsreglers gemäß einer weiteren Ausführungsform 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 Temperaturkennlinie 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 Temperaturkennlinie 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 Spannung 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. 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 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 Vz_min) 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 ebenfalls erfüllt wird.

Claims

1. Lichtmaschine, mit
einem Wechselstromgenerator (10), der Ankerwicklun gen (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 Wechselstroms in einen Gleichstrom in einer Gleichrichterschaltung, die mehrere Gleichrichterelemente (11a-11f) enthält, wovon jedes eine intrinsische Charakteristik mit einer Durchbruchspannung (Vz) besitzt
mit einem Spannungsregler (13, 13') der versehen ist mit

- einer Strombegrenzungseinrichtung (131, 132), die mit dem vom Gleichrichter (11) ausgegebenen Gleichstrom über die Feldwicklung (10d) versorgt wird, um einen Feldstrom zu begrenzen, der durch die Feldwicklung (10d) fließt,
- einer Spannungserfassungseinrichtung (13A) zum Er fassen einer Gleichspannung am Ausgang des Gleichrich ters (11)
- einer Schutzsteuereinrichtung (13B) zum Steuern der Strombegrenzungseinrichtung (131, 132) in Überein stimmung mit einer Beurteilung, welcher der Werte der Gleichspannung oder einer vorgegebenen Schutzkappungs spannung (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, und mit
einer Temperaturkompensationseinrichtung, die eine Schwankung aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen der vom Spannungsregler (13, 13') geregelten Schutzkappungsspannung (VB) in der Weise kompensiert, daß sie gleich einer durch Umgebungstemperaturänderungen bedingten Schwankung der Durchbruchsspannung (Vz) der Gleichrichterelemente ist.

2. Lichtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Minimalwert der einzelnen Durchbruchs spannungen (Vz) der einzelnen Gleichrichterelemente (11a-11f) die folgende Beziehung gilt: Vz_min < VB.

3. Lichtmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Schaltrelais (4) zum Umschalten eines Ausgangs der Lichtmaschine (1) zwischen einer Niederspannungslast (3) und einer Hochspannungslast (5) und eine Steuereinrich tung (6), die das Schaltrelais (4) steuert.