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Regeleinrichtung insbesondere für Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für rotierende elektrische Stromerzeuger niedriger Spannung mit mindestens einer im Nebenschluss arbeitenden Feldwicklung, insbesondere für Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen. Neben gesteigerten Anforderungen an die Genauigkeit der Regelung werden immer höhere Anforderungen an die Funkentstörung der Regeleinrichtungen für Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen gestellt.
Seither wurden zur Regelung meistens elektromagnetisch betätigte Schalter verwendet, die bei zu grosser Lichtmaschinenspannung den durch die Feldwicklung fliessenden Erregerstrom so lange schwächen, bis die Lichtmaschinenspannung auf einen unteren Grenzwert abfällt und der Schalter wegen der inzwischen ebenfalls abgesunkenen magnetischen Erregung wieder die Feldwicklung an die im Anker der Lichtmaschine induzierte und über deren Bürsten abgenommene Klemmenspannung anschal- tet. Bei Generatoren mit grösseren Erregerleistungen wird die Kontaktbelastung der Schalter so hoch, dass die Kontakte trotz sorgfältiger Funkenlöschung häufig rasch zerstört werden. Ausserdem ist es schwierig, die beim Öffnen und Schliessen der Reglerkontakte entstehenden Funkstörungen zu unterdrücken.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird deshalb gemäss der Erfindung vorgeschlagen, zur Beeinflussung des über die Feldwicklung fliessenden Erregerstroms einen Halbleiter zu verwenden. Ein besonders gutes Ergebnis wird erzielt, wenn man in den Erregerstromkreis des Stromerzeugers einen Transistor einschaltet und zur Steuerung des Transistors einen magnetischen oder thermischen Schalter vorsieht, der in Abhängigkeit von der Höhe der zu regelnden Generatorspannung geschlossen und geöffnet wird. Der zur Steuerung des Transistors verwendete Schalter kann dabei entweder mit Arbeitskontakten oder mit Ruhekontakten versehen sein. Der besondere Vorteil besteht in beiden Fällen darin, dass der Transistor abwechselnd nur im Sperrzustand oder im Durchlasszustand betrieben wird und daher eine sehr grosse Regelleistung ergibt.
An Stelle von magnetischen oder thermischen Schaltern können gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung auch Schaltelemente zur Steuerung des Transistors verwendet werden, deren Durchlasswiderstand in Abhängigkeit von der angelegten Spannung sich bei bestimmten Spannungswerten sprunghaft ändert. Wenn diese nichtlinearen Schaltelemente für genügend hohe Stromstärken bemessen sind, kann man sie auch gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung mit der oder den Feldwicklungen des Stromerzeugers unmittelbar in Reihe schalten.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigt : Fig. 1 ein Schaltbild einer Regeleinrichtung mit einem Transistor und einem zur Steuerung des Transistors verwendeten magnetischen Schalter mit Ruhekontakten. Fig. 2 das Schaltbild einer ähnlichen Regeleinrichtung, deren magnetischer Schalter jedoch Arbeitskontakte hat. Die Fig. 3 und 4 zeigen Schaltbilder von Regeleinrichtungen mit fallender bzw. geknickter Kennlinie, während in den Fig. 5,6 und 7 verschiedene Schaltbilder für Regeleinrichtungen dargestellt sind, bei denen zur Steuerung des Transistors Halbleiter mit nichtlinearen Widerstandskennlinien verwendet sind.
Fig. 8 und 9 zeigen Schaltbilder für Regeleinrichtungen, bei denen ein nichtlinearer Halbleiterwiderstand unmittelbar in die Zuleitung zur Feldwicklung des Stromerzeugers eingeschaltet ist. Fig. 10 und 11 zeigen Schaltbilder von Regeleinrichtungen mit Steuerung durch Photodioden. Fig. 12 und 13 zeigen Schaltbilder von Regeleinrichtungen mit
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zwei Transistoren, von denen einer zur Erzeugung einer selbsterregten Schwingung rückgekoppelt ist.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 1 ist für eine zur Verwendung auf Kraftfahrzeugen vorgesehene Lichtmaschine bestimmt, die einen mit G bezeichneten Gleichstromanker und eine im Nebenschluss arbeitende Feldwicklung F hat. Die im Anker induzierte Spannung wird durch Bürsten a und b abgenommen und den in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrauchern zugeführt. Die Feldwicklung F liegt mit ihrem einen Wicklungsende an der negativen Bürste der Lichtmaschine und mit ihrem andern am Kollektor C eines Transistors 10, der die Grösse des durch die Feldwicklung F fliessenden Erregerstroms bestimmt. Zur Steuerung des Transistors ist ein magnetischer Schalter 11 verwendet, dessen Erregerspule in der Zeichnung mit 12 angedeutet und einerseits an die positive, anderseits an die negative Bürste der Lichtmaschine angeschlossen ist.
Der Schaltarm 14 des Schalters ist mit der Basis B des Transistols 10 über einen Widerstand 15 verbunden, während der feststehende Kontakt 13 an die negative Bürste der Lichtmaschine angeschlossen ist. Solange die im Anker induzierte Spannung ihren Soll-Wert noch nicht erreicht hat, bleibt der Schalter 11 geschlossen. Das Potential der Basis B ist dann nur wenig niedriger als dasjenige der Emitterelektrode E. Es fliesst deshalb über die Emitterelektrode E zur Kollektor-Elektrode C des Transistors 10 und von dort über die Feldwicklung F ein starker Erregerstrom Je, der zur Folge hat, dass bei genügender Drehzahl der Lichtmaschine die Spannung an den Bürsten stark anwächst.
Der magnetische Schalter ist so eingestellt, dass der durch die Spule 12 fliessendé Magnetisierungsstrom beim Erreichen der Sollspannung den Schaltarm 14 vom Kontakt 13 abhebt und dadurch die Basis B des Transistors abschaltet. Dies hat zur Folge, dass der Erregerstrom Je und demzufolge die Stärke des Magnetfeldes und auch die Spannung an den Bürsten der Lichtmaschine absinkt, bis der Schalter 11 wieder in die Ausgangslage zurückkehrt. Bei dieser Schaltung werden die Spannungswerte, bei denen der Transistor aus der Durchlassstellung in die Sperrstellung und umgekehrt gesteuert wird, durch die am magnetischen Schalter 11 getroffene Einstellung festgelegt.
Das gleiche gilt für die Schaltung nach Fig. 2, bei der an Stelle eines magnetischen Schalters mit Ruhekontakten ein mit 21 bezeichneter ebenfalls magnetischer Schalter verwendet ist, dessen Schaltarm 24 jedoch mit einem Arbeitskontakt 23 zusammenarbeitet. An den Schaltarm 24 ist sowohl ein Widerstand 25, der zur negativen Bürste der Lichtmaschine führt, als auch die Basiselektrode eines Transistors 20 angeschlossen. Wie beim vorhergehenden Beispiel liegt die Emitter-Elektrode des Transistors 20 unnittelbar an der positiven Bürste a, die Kollektor-Elektrode C dagegen über die Feldwicklung F an der negativen Bürste b der Lichtmaschine.
Solange die Lichtmaschinenspannung ihren Soll-Wert noch nicht erreicht hat. fliesst über die EmitterElektrode zur Kollektor--Elektrode und von dort über die Feldwicklung F ein starker Erregerstrom, der ein Ansteigen der Lichtmaschinenspannung zur Folge hat und mit steigender Spannung ebenfalls anwächst, bis die Bürstenspannung den Sollwert erreicht, bei dem die Magnetisierungsspule 22 des Schalters 21 den Schalter in die Schliessstellung zu ziehen vermag und dadurch den Transistor 20 in den Sperrzustand bringt. Bei gesperrtem Transistor hat der durch die Feldwicklung fliessende Erregerstrom Je einen wesentlich niedrigeren Wert. Die Stärke des Magnetfeldes nimmt daher rasch ab, bis die im Anker der Lichtmaschine induzierte Spannung nicht mehr ausreicht, den Schaltarm 24 in der Schliessstellung zu halten.
Der Schaltarm 24 hebt dann wieder vom Kontakt 23 ab und trennt dadurch die Basis B von der positiven Bürste der Lichtmaschine. Das vorher beschriebene Spiel beginnt dann von neuem.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 3 stellt eine Abwandlung der Regeleinrichtung nach Fig. 1 dar, bei der durch Verlegung der Feldwicklung in den Emitterkreis der Summenstrom aus Kollektor- und Basisstrom als Erregerstrom ausgenützt und ausserdem der Basiswiderstand eingespart wird. Sie enthält einen elektromagnetischen Schalter 31 mit einem beweglichen Schaltarm 34, der mit einem feststehenden Arbeitskontakt 33 zusammenarbeitet und von zwei Magnetisierungsspulen betätigt wird. Die in der Zeichnung mit 32 bezeichnete Spule besteht aus zahlreichen Windungen dünnen Drahtes und ist als Spannungsspule mit ihrem einen Wickelende unmittelbar an die positive Bürste, mit ihrem andern Wickelende unmittelbar an die negative Bürste der Lichtmaschine angeschlossen. Die mit 36 bezeichnete Spule des Schalters ist als Stromspule ausgebildet und weist nur wenige Windungen starken Drahtes auf.
Sie ist in den Zug der Anschlussleitungen zwischen der positiven Bürste und einer mit 38 bezeichneten Batterie eingeschaltet.
Solange der Schaltarm 34 gegen den feststehenden Kontakt 33 anliegt und dadurch die Basis B des Transistors 30 mit der negativen Bürste der Lichtmaschine verbindet, fliesst ein starker Erregerstrom Je durch die Feldwicklung F der Lichtmaschine. Dieser Erregerstrom Je hat zur Folge, dass auch bei gleichbleibender Drehzahl der Lichtmaschine die im Anker induzierte Spannung ansteigt und schliesslich einen Wert erreicht, bei dem die Spannungsspule den Schaltarm 34 vom Kontakt 33 abhebt und dadurch den von der Basis B zur negativen Bürste fliessenden Steuerstrom des Transistors unterbricht. Dann fällt auch
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der durch die Feldwicklung F fliessende Erregerstrom stark ab und die Spannung an den Bürsten der Lichtmaschine beginnt zu sinken.
Wenn die Lichtmaschinenspannung so weit abgesunken ist, dass der durch die Spannungsspule 32 fliessende Strom den Schaltarm 34 nicht mehr zu halten vermag, legt sich dieser unter der Kraft einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rückzugsfeder wieder gegen den feststehenden Kontakt 33 und steuert dadurch den Transistor 30 in seinenDurchlassbereich und das vorher beschriebene Spiel beginnt von neuem.
Die Stromspule 36 ist so eingeschaltet, dass sie die Spannungsspule 32 in ihrer Wirkung unterstützt, wenn der Lichtmaschine ein Verbraucherstrom Jv entnommen wird. Dies hat zur Folge, dass der Schaltarm 34 mit zunehmender Grösse des Belastungsstromes Jv bereits bei niedrigeren Spannungswerten abhebt, so dass sich eine geneigte Reglerkennlinie ergibt. Um eine Entladung der Batterie 38 dann zu vermeiden, wenn die Lichtmaschine wegen einer zu geringen Antriebsdrehzahl eine zu niedrige Spannung erzeugt, ist ein elektrisches Ventil V vorgesehen, das nur in der Richtung des eingezeichneten StrompfeilesJv durchlässig ist, in der Gegenrichtung jedoch sperrt. Als Ventil eignet sich eine Halbleiterdiode besonders gut.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 4 hat gegenüber der vorher beschriebenen Regeleinrichtung eine Kennlinie, die nur bis zu einer bestimmten Stärke des der Lichtmaschine entnommenen Stromes geradlinig verläuft, dann aber mit einem deutlichen Knick abbricht. Um diesen Verlauf zu erzielen, sind zur Steuerung eines mit 40 bezeichneten Transistors zwei getrennte magnetische Schalter vorgesehen : ein Spannungsrelais 41, dessen Magnetisierungsspule 42 an die Bürste der Lichtmaschine angeschlossen ist, sowie ein Stromrelais 45, dessen Magnetisierungsspule 46 aus wenigen Windungen dicken Drahtes besteht und in die Verbindungsleitung zwischen der Plus-Bürste der Lichtmaschine und der Plus-Elektrode einer in der Zeichnung schematisch angedeuteten Batterie 48 eingeschaltet ist.
Die Spannungsspule 42 arbeitet mit einem beweglichen Schaltarm 44 zusammen, dessen zugehöriger fester Kontakt 43 mit dem zum Stromrelais gehörigen Schaltarm 47 in Reihe geschaltet ist. Nur wenn beide Schaltarme in der Schliessstellung sind, kann über die Basis-Elektrode B des Transistors ein Strom fliessen, der seinerseits einen kräftigen Erregerstrom über die Feldwicklung F zur Emitter-Elektrode E und von dort über die Kollektor-Elektrode C zur Minus-Bürste aufrecht erhält.
Wenn die Spannung an den Bürsten der Lichtmaschine ihren Sollwert überschreitet, öffnet das Spannungsrelais den Basisstromkreis des Transistors und setzt dadurch die Erregung der Lichtmaschine kurzzeitig so lange herab, bis sie einen unteren Grenzwert erreicht hat, bei dem die Spannungsspule 42 den Schaltarm 44 nicht mehr in seiner Offenstellung zu halten vermag und der Basisstromkreis wieder geschlossen wird.
Unabhängig von der Höhe der Lichtmaschinenspannung wird der durch die Feldwicklung F fliessen- de Erregerstrom vom Stromrelais 45 gesteuert. Wenn nämlich der Lichtmaschine ein Verbraucherstrom Jv entnommen wird, dessen Stärke einen vorher bestimmten Wert überschreitet, spricht das Stromrelais 45 an und schaltet ebenfalls die Basis-Elektrode B von der Minus-Bürste der Lichtmaschine ab, so dass die Lichtmaschine nicht überlastet werden kann und mit einer wesentlich herabgesetzten Erregung weiterläuft ohne Schaden zu nehmen. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist in die Verbindungsleitung zwischen der Plus-Bürste der Lichtmaschine und der Batterie 48 eine Halbleiterdiode V eingeschaltet, die bei zu niedriger Lichtmaschinenspannung eine Entladung der Batterie über die Lichtmaschine verhindert.
Bei den Regeleinrichtungennach den Fig. 5-7 sind zur Steuerung des Erregerstroms der Lichtmaschine ebenfalls Transistoren verwendet, jedoch als Soll-Wertgeber kontaktlose Schaltelemente verwendet.
Bei der Regeleinrichtung nach Fig. 5 ist die Kollektor-Elektrode C des Transistors 50 unmittelbar mit der Minusbürste verbunden, während die Feldwicklung F einerseits an die Plus-Bürste und anderseits an die Emitter-Elektrode E angeschlossen ist. Die Basis B liegt über einen Widerstand R mittelbar an der MinusBürste. In die Verbindungsleitung zwischen der Plus-Bürste und der Basis-Elektrode B ist ein Sollwertgeber D eingeschaltet, der bewirkt, dass die Erregung der Lichtmaschine periodisch ein-und ausgeschaltet wird. Der Sollwertgeber D weist bis zu bestimmten Spannungswerten einen hohen Durchlasswiderstand, oberhalb dieser Spannungswerte einen niedrigen Durchlasswiderstand auf.
Wenn in der dargestellten Schaltung die Lichtmaschinenspannung niedrig und demzufolge der Durchlasswiderstand des Sollwertgebers D hoch ist, fliesst ein erheblicher Strom Je durch die Erregerwicklung F der Lichtmaschine von der EmitterElektrode E zur Kollektor-Elektrode C und von dort zur negativen Bürste der Lichtmaschine. Mit steigender Erregung steigt auch die Spannung zwischen den Bürsten a und b der Lichtmaschine und demzufolge auch der durch den Transistor fliessende Erregerstrom an. Die so entstehende Aufschaukelung der Lichtmaschinenspannung führt schliesslich zu Spannungswerten, die den Sollwertgeber zum Umkippen bringen, so dass er einen niedrigen Durchlasswiderstand bekommt.
Es entsteht dann am Widerstand R ein hoher
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Spannungsabfall, der den Transistor so weit sperrt, dass nur noch ein kleiner Erregerstrom durch die Feldwicklung F fliessen kann. Dadurch sinkt die Spannung der Lichtmaschine rasch auf einen Wert ab, bei dem der Sollwertgeber D wieder von seinem niedrigen Durchlasswiderstand zu einem hohen Durchlasswiderstand zurückkippt und den Transistor wieder öffnet. Als Sollwertgeber mit diesen Kippeigenschaften eignen sich Halbleiterdioden besonders gut, die Kennlinien mit einem stark fallenden Ast haben.
Bei den Regeleinrichtungen nach Fig. 6 und 7 sind zur Steuerung des in den Erregerstromkreis der Lichtmaschine eingeschalteten Transistors Widerstände verwendet, deren Werte durch Zufuhr von Wärme in weiten Grenzen geändert werden kann.
Bei der Regeleinrichtung nach Fig. 6 ist in die Verbindungsleitung zwischen der Basis B und der Kollektorelektrode C des Transistors 60 ein Kaltleiter K eingeschaltet, der von einer Heizwicklung H umgeben ist. In Reihe mit der Heizwicklung H liegt eine Kristalldiode D, die mit der Plus-Bürste der Lichtmaschine in Verbindung steht. Die Kristalldiode D wird in Sperrichtung betrieben. Ihr Sperrwiderstand ist gross, solange die angelegte Spannung unterhalb einem als Durchbruchsspannung bezeichneten Wert bleibt, oberhalb der Durchbruchsspannung dagegen klein. Bei niedriger Generatorspannung wird über die Feldwicklupg F ein starker Erregerstrom aufrecht erhalten, da der Widerstand des Kaltleiters K niedrig und der über die Heizwicklung H fliessende Heizstrom Jh ebenfalls niedrig ist.
Bei steigender Lichtmaschinenspannung wird auch der durch die Feldwicklung F fliessende Erregerstrom Je grösser, so dass die Lichtmaschinenspannung schliesslich einen Wert erreicht, bei dem die an der Kristalldiode D liegende Spannung die Durchbruchsspannung erreicht und der Heizstrom Jh auf erhebliche Werte ansteigt. Dies hat zur Folge, dass der Widerstand des Kaltleiters K in kurzer Zeit soweit anwächst, dass der Transistor 60 gesperrt wird und der Erregerstrom Tes sowie die Lichtmaschinenspannung abzusinken beginnen. Wenn die Durchbruchsspannung unterschritten ist, wird der Heizstrom Jh wieder sehr klein und der Widerstand des sich abkühlenden Kaltleiters K wird rasch wieder so niedrig, dass der Transistor seinen Durchlasszustand erreicht und das beschriebene Spiel von neuem beginnen kann.
Die Schaltung nach Fig. 7 weist an Stelle eines Kaltleiters einen Heissleiter L auf, der von einer Heizwicklung H umgeben ist. Der Heissleiter liegt in der Verbindungsleitung der Basis B und der PlusBürste der Lichtmaschine, während in die Verbindungsleitung von der Basis B zur Minus-Bürste ein Begrenzungswiderstand R eingeschaltet ist. In den Zug der Heizwicklung H ist, wie bei der Regeleinrichtung nach Fig ; 6, eine Kristalldiode D eingeschaltet, deren Widerstand unterhalb der Durchbruchsspannung gross, oberhalb der Durchbruchsspannung klein ist.
Solange die Lichtmaschinenspannung unter der Durchbruchsspannung liegt, ist der die Heizwicklung H durchfliessende Heizstrom Jh noch klein und demzufolge der Widerstand des Heizleiters L gross. Es fliesst dann über den Transistor 70 ein kräftiger Erregerstrom Je, der ein rasches Anwachsen der Lichtmaschinenspannung bewirkt. Sobald die an der Diode D liegende Spannung die Durchbruchsspannung erreicht, wächst der Heizstrom Jh an und heizt den Heissleiter L auf, dessen Widerstand mit der Temperatur fällt bis er schliesslich einen Wert erreicht, bei dem derlransistor in einen schlecht leitenden Zustand versetzt wird und die Generatorspannung wegen des abklingenden Erregerstromes Je zu sinken beginnt.
Der Heizstrom Jh fällt dann zusammen mit der Lichtmaschinenspannung stark ab, wobei der Heissleiter sich wieder abkühlen kann bis sein Widerstand einen Wert erreicnt, bei dem aer Transistor wieder geöffnet w ird und einen stärker werdenden. Erregerstrom durch die Feldwicklung F zu leiten vermag.
Die Schaltbilder nach Fig. 8 uno 9 betreffen Regeleinrichtungen zur kontaktlosen Spannungsregelung, bei denen der im Erregerstromkreis fliessende Strom unmittelbar durch Halbleiterdioden D beeinflusst wird.
Die zu regelnde Lichtmaschine nach Fig. 8 hat zwei Feldwicklungen F und F2. Von diesen ist die mit F bezeichnete Wicklung mit dünnem Draht und hoher Windungszahl ausgeführt, während die Wicklung F \ nige Windungen hat und aus einem dickeren Draht besteht. Der Widerstand der Feldwicklung F 1
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bleibt, bis die Lichtmaschine sich über die beiden Wicklungen F 1 und F 2 auf eine Spannung erregt hat, bei der die Diode trotz Betriebs in der Sperrichtung einen hohen Leitwert bekommt und dadurch die Wicklung F wenigstens zum Teil kurzschliesst.
Dadurch beginnt die Erregung der Lichtmaschine und mit ihr auch die Spannung an den Bürsten abzusinken, bis die Lichtmaschinenspannung schliesslich einen Wert erreicht, bei dem die Diode in ihren Sperrzustand zurückkippt und den Erregerstrom zwingt, die Feldwicklung F zu durchfliessen, so dass sich die Lichtmaschine erneut wieder selbst erregt und das Spiel von neuem beginnt. An Stelle der zweiten Feldwicklung F2 kann man auch einen Widerstand R vorsehen, der
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wächst der durch die Wicklung F 2 fliessende Strom L stark an und hebt die in der Wicklung F erzeugte magnetische Erregung zum grossen Teil auf, so dass die Lichtmaschinenspannung zu sinken beginnt.
Dadurch sinkt aber auch die Betriebsspannung der Diode D in ein Gebiet ab, in dem der Durchlasswiderstand
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;kommt auch die Diode wieder in ein Arbeitsgebiet höherer Leitfähigkeit und das beschriebene Spiel beginnt von neuem.
Die in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen im Steuerkreis des Letstungstransistors lichtempfindliche Halbleiter auf. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist eine Photodiode P zwischen die Basis B und die Minus-Bürste des Generators eingeschaltet. Sie arbeitet mit einer Glühlampe 80 zusammen, die an die beiden Bürsten der Lichtmaschine G angeschlossen ist. Zwischen der Photodiode P und der Glühlampe 80 ist eine Blende angebracht, die in der Zeichnung nur schematisch angedeutet ist und einen feststehenden Teil 81, sowie einen beweglichen Teil 82 aufweist.
Der bewegliche Blendenteil 82 sitzt an einem Anker 83, der einer elektromagnetischen Spule 84 zugeordnet ist und In Abhängigkeit von dem durch die Spule fliessenden Strom derart verstellt wird, dass die Blendenöffnung klein ist, wenn die Lichtmaschinenspannung über ihrem Sollwert liegt. In diesem Falle kann nur wenig oder gar kein Licht auf die Diode treffen. Diese stellt daher einen hohen Widerstand dar und sperrt den in Reihe mit der Feldwicklung F liegenden Leistungstransistor. Der höhere Widerstand im Erregerkreis hat zur Folge, dass die Lichtmaschinenspannung zu sinken beginnt. Der in der Spule 84 fliessende Strom vermag dann den Anker 8S nicht mehr in seiner Einzugstellung zu halten.
Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Rückstellfeder zieht dabei den beweglichen Blendenteil 82 vom feststehenden Teil 81 weg und gibt den von der Glühlampe 80 ausgehenden Lichtstrahlen den Weg zur Photodiode P frei. Die Photodiode wird wieder niederohmig und steuert den Transistor 85 in den Durchlassbereich. Die Lichtmaschinenspannung beginnt dann wieder zu steigen und das beschriebene Spiel wiederholt sich.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 sind vor der Photodiode P zwei Bleche 90 und 91 angeordnet, die eine feste, jedoch einstellbare Blende für die von der Glühlampe 92 ausgehenden Lichtstrahlen bilden. Die Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke auf der Photodiode von der zu regelnden Generatorspannung wird durch eine Zenerdiode Z erzielt, die in Sperrichtung in den Lampenstromkreis eingeschaltet ist und eine im Sperrbereich scharf geknickte Kennlinie hat. Die Anordnung ist so getroffen, dass die Zenerdiode Z ihre Durchbruchsspannung erreicht und einen zum Aufleuchten der Lampe 92 ausreichenden Strom zulässt, sobald die Lichtmaschinenspannung bis zu ihrem Sollwert angestiegen ist.
Infol ge der Beleuchtung wird die vorher hochohmige Photodiode leitend und sperrt dadurch den Transistor 95, dessen Basis über einen Widerstand 96 mit der Minus-Bürste und über die Photodiode P mit der Plus-Bür- ste verbunden ist. Im Sperrzustand führt der Transistor nur einen niedrigen Strom über die Feldwicklung F.
Die Lichtmaschinenspannung sinkt daher so weit ab, bis die an der Zenerdiode abfallende Teilspannung den Durchbruchswert unterschreitet. Dann kann der zum Leuchten der Glühlampe 92 erforderliche Strom nicht mehr aufrechterhalten werden. Die Photodiode wird hochohmiger und öffnet den Transistor wieder, der dann einen kräftigeren, zu erneutem Spannungsanstieg führenden Erregerstrom bewirkt.
Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen ist der Anker der Lichtmaschine, zu deren Regelung die in Fig. 12 dargestellte Einrichtung bestimmt ist, mit G bezeichnet. Ihre Feldwicklung F, die im Nebenschluss zum Anker G liegt, ist mit ihrem einen Ende an die negative Bürste a der Lichtmaschine angeschlossen, während ihr anderes Ende mit der Kollektorelektrode C. eines Flächentransistors 110 verbunden ist, dessen Emitterelektrode El'an der positiven Bürste b der Lichtmaschine liegt.
Die Grösse des über die Feldwicklung F fliessenden Erregerstroms Je und damit die Höhe der im Anker G induzierten und an den Bürsten a und b abgenommenen Spannung hängt ab von der Grösse des über die Basis-ElektrodeB des Transistors 110 fliessenden Basisstromes Jb, der iiber einen Widerstand 111 von etwa 100 Ohm zur Masse bzw. zur negativen Bürste a geführt wird. Zur Steuerung des Transistors 110 ist der zweite Transistor 120 vorgesehen, der so geschaltet ist, dass er eine selbsterregte elektrische Schwingung erzeugt.
Zu diesem Zweck ist in seinem Ausgangskreis ein Transformator vorgesehen, dessen Eisenkern in der Zeichnung mit
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121 bezeichnet ist und drei im gleichen Wickelsinne ausgeführte Wicklungen 122, 123, 124 trägt. Die mittlere Wicklung 123 hat etwa 90 Windungen bei 20 mHy und liegt mit ihrem einen Ende an der mit der negativen Bürste a verbundenen Masseleitung ; ihr anderes Ende ist mit der Kollektorelektrode C2 des Transistors 120 verbunden. In die Verbindung von der Plus-Bürste b der Lichtmaschine zur Emitterelektrode E dieses Transistors ist eine Hilfsbatterie H mit einer Spannung UH von etwa 2 Volt derart eingeschaltet, dass die Emitterelektrode E2 niedrigeres Potential als die Plus-Bürste b hat.
Auf dei Eingangsseite des Transistors 120 ist die Basis-Elektrode 83 einerseits über einen einstellbaren Widerstand 125 von etwa 10 Ohm mit der Plus-Bürste b und der Plus-Platte der Hilfsbatterie H, anderseits mit der Minus-surate a der Lichtmaschine durch folgende in Reihe liegenden Schaltelemente verbunden : einen Widerstand 126 von etwa 40 bis 50 Ohm, einen Heissleiter 127, dessen Widerstand in kaltem Zustand zirka 10 Ohm beträgt, und die niederohmige Wicklung 124, vor der ein Gleichrichter 128 abzweigt, der zusammen mit einem an die Wicklung 122 des Transformators 121 angeschlossenen zweiten Gleichrichter 129 an der Basiselektrode BI des Transistors IC liegt.
Der Heissleiter 127, der in kaltem Zustand einen höheren Widerstand als im warmen Zustand hat, ist von einer Heizwicklung 130 umgeben, die im Zuge der Zuleitung 131 liegt, die von der Plus-Bürste b der Lichtmaschine zu der mit 132 bezeichneten Batterie führt. An diese können verschiedene Verbraucher-angeschlossen werden, von denen im Schaltbild nur ein mit 123 bezeichneter mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Um zu vermeiden, dass die Batterie sich über die Lichtmaschine entladen kann, ist in die Zuleitung ein Gleichrichter 134 aus Halbleitermetall eingeschaltet.
Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung lässt sich leicht übersehen, wenn man davon ausgeht, dass die an den Bürsten a und b abgenommene Spannung U der Lichtmaschine im Ansteigen begriffen und der Widerstand 125 so eingestellt sei, dass bei Erreichen der Sollspannung die am Widerstand 125 abfallende
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B2Transistors 120 bringt. Dadurch wird der Transistor 120 leitend und es setzt ein Kollektorstrom J2 ein, der im Wicklungsteil 124 eine durch den Pfeil U angedeutete Spannung induziert.
Die in der Wicklung 124 erzeugte Spannung U2 ist so gerichtet, dass sie die Basis 9z des Transistors 120 gegenüber der Emitter-Elektrode E noch stärker negativ macht und daher einen stark anwachsenden Basis-Strom (dessen Maximalwert durch die Grösse der induzierten Spannung U2 und die Grösse der Widerstände 126 und 127 gegeben ist) und demzufolge auch einen stark anwachsenden Kollektorstrom J2 erzeugt. Die vom Kollektorstrom J während seines Anstiegs induzierte Spannung U ändert sich nur wenig.
Der Kollektorstrom erreicht jedoch bald seinen Maximalwert, der durch den Maximalwert des Basis-Stro-
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schwindet die in den Wicklungen induzierte Spannung U und das Potential der Basiselektrode B2 springt auf einen höheren Wert zurück, so dass der Basisstrom Jb nicht mehr in der bisherigen Höhe aufrechterhalten werden kann. Dadurch wird auch der Kollektorstrom J2 gedrosselt. Die Induktivität der Wicklung 123 wirkt dieser Änderung des Kollektorstromes entgegen und erzeugt einen Spannungsimpuls, der in der Zeichnung mit einem in unterbrochenen Linien ausgeführten Spannungspfeil U'2 angedeutet ist. Durch diesen Spannungsimpuls wird der Transistor 120 vollends in den nicht leitenden Zustand gesteuert, in dem er so lange gehalten wird, bis der Spannungsimpuls U'2 abgeklungen ist.
Dann kann das beschriebene Spiel von neuen beginnen, wenn die Lichtmaschinenspannung U wieder ihren Sollwert erreicht.
Da die in der Wicklung 124 infolge der'Änderung des Kollektorstromes J2 erzeugten Spannungen U2 und U* auf das Potential der Basis B und damit auf den Eingangskreis des Transistors 120 im Sinne einer Verstärkung dieser Änderungen wirken, entsteht eine selbsterregte elektrische Schwingung, bei welcher der Transistor 120 zwischen einem Betriebszustand mit hohem und einem Betriebszustand mit niedrigem Kollektorstrom J2 nach Art eines monostabilen Sperrschwingers hin-und zurückkippt, so oft die ansteigende Lichtmaschinenspannung bis zu dem am Widerstand 125 eingestellten Sollwert angestiegen ist.
Die Spannungsimpulse U undU* werden über die Gleichrichter 128 und 129 auf einen Ladekondensator 135 gegeben, dessen Grösse der Zeitkonstante der Lichtmaschine angepasst ist. Er hat einen Wert von etwa 50 F und ist parallel zu dem Basis-Widerstand 111 an die Basis B des ersten Transistors 110 angeschlossen. Jeder der Spannungsstösse bewirkt, dass das Potential der Basis B, kurzzeitig angehoben wird und den Erregerstrom Je stark drosselt, wodurch die Lichtmaschinenspannung abgesenkt wird. Das Absinken der Lichtmaschinenspannung unter den Sollwert hat zur Folge, dass der Transistor 120 so lange gesperrt bleibt und daher keine die Lichtmaschinenspannung absenkenden Impulse auf den Transistor 110 zu geben vermag. bis die Lichtmaschine sich wieder selbst auf ihre Sollspannung erregt hat.
Um eine Überlastung der Lichtmaschine durch zu hohe Verbraucherströme zu vermeiden, ist ihr Laststrom über die Heizwicklung 130 geführt. Je grösser dieser Laststrom ist, umso grösser ist die in der Heiz-
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wicklung 130 erzeugte Wärme und um so niedriger wird der Widerstand des Heissleiters 127. Dadurch verschiebt sich das Spannungsteilerverhältnis an der Basiselektrode Bz derart, dass bereits bei einer kleineren Lichtmaschinenspannung die am Widerstand 125 abfallende Teilspannung ausreicht, den Transistor 120 zu öffnen. Es stellt sich daher an den Bürsten der Lichtmaschine eine geregelte Spannung ein, die mit steigender Belastung zu kleineren Werten abfällt.
Damit an der Feldwicklung F keine schädlichen Spannungsspitzen auftreten können, wenn der im Erregerkreis liegendeLeistungstransistor 110 in den Sperrzustand gesteuert wird, empfiehlt es sich, einen in Fig. 1 gestrichelt angedeuteten, mit 136 bezeichneten Gleichrichter parallel zur Feldwicklung derart einzuschalten, dass er bei konstanter Erregung praktisch keinen Strom durchlässt. Wenn man als Gleichrichter eine Kristallode verwendet, kann es sich empfehlen, in den Zug der Zuleitung zu dem Gleichrichter 136 einen Begrenzungswiderstand 137 einzuschalten. Bei Lichtmaschinen grosser Leistung kann es ferner zweckmässig sein, zur Feldwicklung einen Dämpfungswiderstand 138 parallel zu schalten.
Das in Fig. 13 dargestellte Beispiel unterschiedet sich von demjenigen nach Fig. 12 im wesentlichen dadurch, dass an Stelle derdort vorgesehenen Hilfsbatterie H zwei in Reihe geschaltete Gleichrichter 141 und 142 vorgesehen sind, die einerseits am Pluspol der Lichtmaschine und anderseits am Emitter E des Steuertransistors 140 angeschlossen sind. Sie bilden zusammen mit einem Widerstand 143, der zwischen der Emitter-Elektrode E und der Minus-Bürste der Lichtmaschine liegt, einen Spannungsteiler, der zusammen mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen 144 und 145 eine elektrische Brücke ergibt, in deren Diagonalzweig die Emitter-Basisstrecke des Transistors 140 liegt.
Die Gleichrichter 141 und 142 haben stark gekrümmte Kennlinien und ergeben daher in ähnlicher Weise, wie das bei Fig. 12 durch die Batterie H erfolgt, eine Vergleichsspannung, die als Bezugsgrösse für die mit dem Widerstand 144 einstellbare Sollspannung dient. Wie beim vorherigen Beispiel ist die Kollektorelektrode C an den Verbindungspunkt der Wicklungen 122 und 123 des in Fig. 13 nicht näher dargestellten Transformators angeschlossen.
Zur Erzeugung einer VergleichsspannUtig zwischen der Emitter-Elektrode E und der Plusbürste der Lichtmaschine kann man an Stelle der beiden Gleichrichter 141 und 142 auch eine Kristalldiode vorsehen, die im Sperrbereich einen nahezu rechtwinkligen Kennlinienverlaut hat. Eine solche sogenannte Zenerdiode ist in der Zeichnung mit unterbrochenen Linien angedeutet und mit 146 bezeichnet. Gegenüber der Verwendung von Gleichrichtern hat eine solche Diode den Vorteil, dass der mit ihr zur Erzielung eines Spannungsteilers in Reihe zu schaltende Widerstand 147 verhältnismässig hochohmig gewählt werden kann.
Damit die Regeleinrichtung nach Fig. 13 eine bei wachsender Belastung absinkende Sollspannung einhält, kann man in die Verbindungsleitung von der Plusbürste der Lichtmaschine zum einstellbaren Widerstand 144 einen gestrichelt angedeuteten Widerstand 148 einschalten, der einen Wert von etwa fünf MilliOhm hat. An den Verbindungspunkt dieses Widerstandes mit dem einstellbaren Widerstand 144 wird dann die Batterie 132 über eine Halbleiterdiode 149 angeschlossen. Je nach der Grösse des der Lichtmaschine entnommenen Belastungsstromes fällt am Widerstand 148 eine Spannung ab, die bewirkt, dass der Transistor 140 bereits bei kleineren Werten der Lichtmaschinenspannung stromfiihrena wird und über die Transformatorwicklungen, wie beim Beispiel nach Fig. lS. Sperrimpulse zur Herabsetzung der Lichtmaschinenerregung auf den Leistungstransistor 110 gibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeleinrichtung für rotierende elektrische Stromerzeuger niedriger Spannung mit mindestens einer im Nebenschluss arbeitenden Feldwicklung, insbesondere für Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des über die Feldwicklung fliessenden Erregerstromesinden Erregerstromkreis des Stromerzeugers ein Transistor (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 85, 95, 110) eingeschaltet ist, der von einer elektrischen, magnetischen oder thermischen Schalteinrichtung in Abhängigkeit von der Höhe der zu regelnden Spannung abwechselnd geschlossen und geöffnet wird.