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Regeleinrichtung für Lichtmaschinen von Fahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für Lichtmaschinen von Fahrzeugen, die ein in den Erregerstromkreis der Lichtmaschine eingeschaltetes, steuerbares Halbleitergerät mit einem Emitter, einem Kollektor und einer Basiselektrode enthält.
Um sicherzustellen, dass bei Lichtmaschinen mit einer im Nebenschluss angeordneten Feldwicklung eine ausreichend rasche Selbsterregung eintritt, wenn die Lichtmaschine aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, muss dafür gesorgt werden, dass das mit der Feldwicklung in Reihe liegende Halbleiterge- rät sich in seinem stromleitenden Zustand bereits dann befindet, wenn die an den Lichtmaschinenausgangsklemmen auftretende Spannung erst kleine Werte angenommen hat.
Der von der Regeleinrichtung eingestellte Mittelwert des über die Feldwicklung fliessenden Erregerstroms soll bei jedem Betriebszustand der Lichtmaschine derart festgelegt werden, dass bei einer ausreichend hohen Mindestdrehzahl der Lichtmaschine die von der Lichtmaschine an ihre Verbraucher abgegebene Spannung praktisch unabhängig von der Grösse des der Lichtmaschine entnommenen Laststromes auf einem gleichbleibenden Wert gehalten wird. Um dies. zu erreichen, müssen Schaltelemente vorgesehen werden, die einen in Abhängigkeit von der wirksamen Betriebsspannung stark veränderten Durchlasswiderstand haben und auf die Emitter-Kollektor-Strecke des Halbleitergeräts derart einwirken, dass der über die Emitter-Kollektor-Strecke gehende Erregerstrom stark herabgesetzt wird, sobald die Lichtmaschinenspannung einen vorgegebenen Sollwert zu überschreiten droht.
Der Erfindung Jiegt der Gedanke zugrunde eine Regelungseinrichtung zu schaffen, die nur ein einziges Halbleitergerät enthält, in dem ein nach Art eines Transistors arbeitendes Verstärkerelement zusammen mit einer spannungsempfindlichen Halbleiterstrecke zu einer Baueinheit vereinigt ist.
Diese Aufgabe ist bei einer Regeleinrichtung erfüllt, die gemäss der Erfindung einen. Halbleiter ent- hält, der ausser einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis noch eine mit Feld Verdrängung arbeiten- de, auf die Strombahnen zwischen Emitter und Basis einwirkende Hilfselektrode hat, die an die zu regelnde Spannung angeschlossen ist. Zweckmässigerweise wird diese Hilfselektrode als Hilfskollektor ausgebildet und zusammen mit dem an die Erregerwicklung angeschlossenen Hauptkollektor an einer derbeiden Breitseiten desplättchenförmig ausgebildeten Halbleiterkörpers des Halbleitergeräts angeordnet.
Der Emitter des Halbleiterkörpers soll dann an einer'dem Hauptkollektor gegenüberliegenden Stelle der andem Breitseite sitzen, während die Basis an einer Stelle angeordnet ist, deren Abstand vom Emitteranschlusspunkt grösser ist als der Abstand vom Emitter zum Hauptkollektor bzw. als der Abstand vom Emitter zum Hilfskollektor. Eine besonders starke Feldverdrängungswirkung in Abhängigkeit von der an denHilfs- kollektor angelegten Lichtmaschinenspannung lässt sich dann erzielen, wenn gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung an einer dem Hilfskollektor gegenüberliegenden Zone der den Emitteranschluss tragenden Halbleiterbreitseite eine Vertiefung angebracht ist, durch die der Durchgangsquerschnitt vom Emitter zu der jenseits der Vertiefung liegenden Basis stark vermindert ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, einem Halbleiterregler für eine Kraftfahrzeuglichtmaschine beschrieben und näher erläutert.
Es zeigt : Fig. l das Schaltschema des Halbleiterreglers und Fig. 2 ein Schaubild zur Erklärung der Wirkungsweise des Reglers nach Fig. l. Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Schaltschema nach Fig. l.
Die in Fig. l bei 10 angedeutete 24 Volt-Gleichstromlichtmaschine wird durch eine nicht näher
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dargestellte Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine angetrieben und arbeitet mit einer Sammlerbatterie 11 zusammen, deren Pluspol mit der Plusbürste 12 der Lichtmaschine über eine Leitung 13 verbunden ist, Im Zug der Leitung 13 liegt ein niederohmiger Widerstand 14 von etwa 0,02 Ohm und eine Halbleiterdiode 15, die bei Stillstand oder ungenügender Erregung der Lichtmaschine eine Entladung-der Batterie über die Lichtmaschine verhindert. Von der Minusbürste 16 der Lichtmaschine zur Minusklemme der Batterie 11 führt eine Leitung 17. An diese ist die bei 18 angedeutete, im Nebenschluss arbeitende Feldwicklung der Lichtmaschine 10 angeschlossen.
Das andere Ende der Feldwicklung liegt an einer als Kollektorelektrode wirkenden Legierungszone 20, die durch Einlegieren von p-Leitfähigkeit erzeugenden Werkstoffen in eine aus n-Germanium hergestellte Halbleiterscheibe 21 erzeugt ist. Die Halbleiterscheibe ist in Fig. 1 stark vergrössert in ihrem Querschnitt dargestellt und hat eine Stärke von etwa 0, 3 bis 0,4 mm. Gegenüber der Kollektorzone 20. die an der einen der beiden Breitseiten der Halbleiterscheibe 21 sitzt, ist durch Einlegieren einer geringen Menge von p-Leitung erzeugendem Halbleitermaterial eine Emitterzone 22 erzeugt worden, die über eine Leitung 23 sowohl mit dem Widerstand 14 als auch mit der Halbleiterdiode 15 verbunden ist.
An der gleichen Breitseite des Halbleiterkörpers. 21, an der die als Hauptkollektor wirkende Legierungszone 20 sitzt, befindet sich eine neben dieser in geringem Abstand angeordnete weitere Legierungszone 25. Diese hat die Aufgabe, als Hilfskollektor wirksam zu werden und den von der Emitterzone 22 zum Hauptkollektor 20 fliessenden und von dort über die Erregerwicklung 18 geführten Erregerstrom in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhe der zwischen den Leitungen 13 und 17 wirksamen Ausgangsspannung der Lichtmaschine dann stark herabzusetzen, wenn die Lichtmaschinenspan- nung ihren Sollwert zu überschreiten droht.
Die beiden einandel unmittelbar gegenüberstehenden Legie- rungszonen 22 und 20 arbeiten mit einer Basiselektrode 26 zusammen, die in der Nähe des Randes der Halbleiterscheibe 21 einen ohmschenKontakt bildet. Die Basis ist von der Emitterzone 22 wesentlich weiter entfernt als die Kollektorzone 20 und die Hilfskollektorzone 25. An einer unmittelbar unter der Hilfskollektorzone 25 liegenden Stelle ist in die Halbleiterscheibe 21 eine Kerbe 28 eingeschliffen, die so tief in den Halbleiterkörper hineinreicht, dass zwischen dem Kerbengrund 29 und der p-n-Grenzschicht zwischen der Hilfskollektorzone 25 und dem n-leitenden Grundwerkstoff der Halbleiterscheibe 21 nur ein sehr kleiner Durchgangsquerschnitt für die von der Emitterzone 22 zur Basis 21 führenden, in Fig. l mit 30 angedeuteten Strombahnen verbleibt.
Die äussere Schaltung des oben beschriebenen Halbleitergeräts wird durch zwei Spannungsteiler ergänzt. Der erste Spannungsteiler wird von den Widerständen 34 und 35 gebildet. An den Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist die Basiselektrode 26 angeschlossen, während der Verbindungspunkt der den zweiten Spannungsteiler bildenden Widerstände 36 und 37 mit derHilfskollektorzone 25 verbunden ist.
Von der Hilfskollektorzone zur Hauptkollektorzone 20 führt ein Kondensator 38, der dazu bestimmt ist, bei geringfügigen Änderungen des vom Emitter 22 zum Kollektor 20 fliessenden Erregerstroms diese Änderungen so zu verstärken, dass die Emitter-Kollektor-Strecke aus einem Betriebszustand hoher Leitfähig- keit sehr rasch in einen Betriebszustand niedriger Leitfähigkeit gesteuert wird, wenn der Erregerstrom beim Überschreiten der Lichtmaschinensollspannung verringert wird, während er umgekehrt das Zurückkippen in den ursprünglichen Zustand hoher Leitfähigkeit unterstützt, wenn die Erregung der Lichtmaschine bei diesem periodisch abwechselnden Regelungsvorgang so weit abgesunken ist, dass die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert geringfügig unterschreitet.
Im einzelnen arbeitet die beschriebene Regeleinrichtung folgendermassen :
Wenn die Lichtmaschine 10 aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, entsteht infolge des in ihren Eisenteilen verbliebenen magnetischen Restfeldes eine Spannung zwischen den Leitungen 13 und 17, die rasch anwächst, da in diesem Falle die Emitter-Kollektor-Strecke des Halbleitergeräts stromleitend ist und der über diese Strecke gehende Erregerstrom Jf eine zunehmende Erregung der Lichtmaschine und daher eine zunehmende Steigerung ihrer Ausgangsspannung bewirkt. Um die Emitter-Kollektor-Strecke stromleitend zu halten, muss von der Emitterzone 22 über die bei 30 angedeuteten Strombahnen ein BasisStrom Jeb fliessen, da die Emitter-Basis-Strecke und die Emitter-Hauptkollektor-Strecke wie bei einer bekannten Transistoranordnung arbeiten.
Der Basisstrom Jeb muss dabei den durch die Kerbe 28 verringerten Durchgangsquerschnitt unter dem Hilfskollektor 25 passieren. Die vom Emitter zum Hauptkollektor führende Strecke muss so lange stromleitend bleiben und den vollen Wert des Erregerstromes Jf führen, bis die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert von 28 Volt erreicht. Hiebei liegt praktisch die volle Lichtmaschinenspannung an der Erregerwicklung 18, da zwischenEmitter und Hauptkollektor ein Spannungsabfall von nur etwa 1 Volt entsteht, solange diese Strecke sich in ihrem voll stromleitenden Zustand befindet. Sobald jedoch der Sollwert erreicht wird, setzt die im folgenden beschriebene Spannungsregelung, die durch den Hilfskollektor 25 bewirkt wird, ein.
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Solange die am Hilfskollektor 25 wirksame, durch das Verhältnis der Widerstände 36 und 37 zu der. jeweiligen Höhe der Lichtmaschinenspannung in einer festen Beziehung stehende Potential Vc des Hilfskollektors 25 nur geringe Werte annimmt, bildet sich um die Legierungszone herum eine nur sehr dünne, bei 40 angedeutete Raumladungszone. Je höher jedoch die Spannung am Hilfskollektor wird, umso mehr breitet sich die Raumladungszone 40 gegen die Kerbe 29 hin aus. Dadurch wird der für die Strombahnen 30 zur Verfügung stehende Durchgangsquerschnitt immer mehr verkleinert, so dass der wirksame Widerstand Reb für die vom Emitter zur Basis gehenden Strombahnen sehr rasch anwächst, wie dies in Fig. 2 angedeutet i3t.
Wenn die am Hilfskollektor 25 liegende Spannung Vc den Wert Vu überschreitet, nimmt der Widerstand Reb so rasch zu, dass bei einer geringfügigen Steigerung der Lichtmaschinenspannung der Emitter-Basisstrom Jeb sehr stark zurückgeht und demzufolge auch der vom Emitter zum Hauptkollektor flie- ssende Erregerstrom Jf erheblich verkleinert wird.
Sobald jedoch das Potential des Hauptkollektors 20 bei Verringerung des Erregerstromes Jf von dem beim Einsatz der Stromregelung wirksamen Wert von 27 V abzusinken beginnt, wird gleichzeitig die zwischen dem Hilfskollektor 25 und dem Emitter 22 wirksame Spannung Vc vergrössert, da der vorher auf den Potentialunterschied zwischen dem Hilfskollektor und dem Hauptkollektor 20 aufgeladene Kondensator 38 wenigstens für kurze Zeit seine Ladung beibehält. Diese gleicht sich über den Gleichstromwiderstand der Erregerwicklung 18 und den Widerstand 36 aus und erzeugt einen Ausgleichs- oder Verschie- bungsstrom Ja, der die in Fig. 3 angedeutete Richtung hat und dem über den Widerstand 36 fliessenden QuerstromJq entgegengesetzt gerichtet ist.
Die hiedurch entstehende Erhöhung der zwischen dem Emitter und dem Hilfskollektor wirksamen Spannung Vc hat zur Folge, dass der Emitterbasiswiderstand Reb weiter ansteigt und der vom Emitter zum Hauptkollektor fliessende, dem Basisstrom Jeb proportionale Erregerstrom Jf nach dem inFig. 2 angegebenen Schaubild weiter abfällt. Auf diese Weise kommt eine starke Rückkopplungswirkung zustande, durch die der Erregerstrom für kurze Zeit auf sehr niedrige Werte verringert wird.
Mit dem Erregerstrom sinkt jedoch auch die Spannung der Lichtmaschine ab und mit dieser die zwischen dem Emitter 22 und dem Hilfskollektor 25 wirksame, durch die Spannungsteilerwiderstände 36 und 37 festgelegte Spannung Ve, die Raumladungszone 40 wird schinäler und lässt daher einen stei-
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Der dann ebenfalls steigende Erregerstrom Jf erzeugt an der Erregerwicklung 18 einen grösser werdenden Spannungsabfall und das Potential des Hauptkollektors wird im Gegensatz zu dem vorher beschriebenen Sperrvorgang jetzt stärker positiv.
Da der Kondensator 38 sich auf den in Fig. 3 angedeuteten Ausgangszustand wieder aufladen muss, entsteht ein Ausgleichsstrom, der zu dem inFig. 3 bei Ja angedeuteten Strom entgegengesetzt gerichtet ist und den Spannungsabfall am Widerstand 36 vergrössert, die wirksame Spannung am Hilfskollektor 25 demgemäss verkleinert. Solange dieser Ausgleichsstrom fliesst, bleibt die Raumladungszone 40 am Hilfskollektor klein und gestattet es, dass der Erregerstrom Jf auf seinen vollen Wert anwächst und dabei die Lichtmaschinenspannung wieder anhebt. Sobald diese ihren Sollwert wieder erreicht, kann das beschriebene Reglerspiel von neuem beginnen.
Ausser diesem Spannungsregelungsvorgang wird noch ein Stromregelungsvorgang wirksam, wenn der Laststrom JL, der von der Lichtmaschine über die Leitung 13 zur Batterie 11 bzw. zu nicht dargestellten, an die Batterie angeschlossenen Verbrauchern fliessen kann, einen durch die Baugrösse der Lichtmaschine festgelegten Höchstwert zu überschreiten droht. Zur Stromregelung dient eine zweite Basiselektrode 42, die in der Nähe der Emitterzone 22 am Rand der Halbleiterscheibe 21 sperrschichtfrei festgelötet ist. Eine Verbindungsleitung 43 führt von dort zur Plusleitung 13.
Der am Widerstand 14 entstehende, durch den Laststrom JL der Lichtmaschine erzeugte Spannungsabfall UL ist daher in bezug auf die nach Art einer Zenerdiode wirkende Diodenstrecke zwischen der Basis 42 und dem Emitter 22 so gepolt, dass diese Strecke in Sperr-Richtung beansprucht und erst dann entgegengesetzt zu ihrer Durchlassrichtung stromleitend wird, wenn der Spannungsabfall UL den Durchbruchswert dieser Strecke überschreitet. Der dann von der Basis 42 zum Emitter 22 einsetzende Strom wirkt dem zur Basis 26 in Abhängigkeit von der Lichtmaschinenspannung fliessenden Strom Jeb entgegen und hat eine starke Erniedrigung des Feldstromes Jf zur Folge.
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