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Spannungsschnellregler für im Nebenschluss erregte
Lichtmaschine von Fahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsschnellregler für im Nebenschluss erregte Lichtmaschi- nen von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, der einen mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur
Erregerwicklung der Lichtmaschine in Reihe geschalteten Leistungstransistor enthält, der von einem Steuer- transistor gesteuert wird.
Bei Schnellreglern dieser Art kann man auch mit verhältnismässig kleinen Transistoren hohe Erreger- leistungen regeln, wenn man dafür sorgt, dass der Erregerstrom periodisch von einem hohen auf einen nahe bei 0 liegenden Wert herabgesetzt wird. Damit der Transistor in dieser Weise arbeiten kann, ist es notwen- dig, dass sein Emitterpotential je nach der Leitungsart positiv oder negativ vorgespannt wird. Dann genü- gen bereits kleine Steuerleistungen um den Transistor aus seinem voll stromleitenden Betriebszustand in seinen Sperrzustand zu bringen und umgekehrt.
Eine besonders wirkungsvolle Anordnung bei einem Spannungsregler der eingangs beschriebenen Art ergibt sich, wenn gemäss der Erfindung der Emitter des Leistungstransistors mit einer Ausgangsklemme der Lichtmaschine über einen Halbleiter verbunden ist. der über einen derart niedrig bemessenen Vorwiderstand mit der andern Klemme der Lichtmaschine verbunden ist, dass die durch die Eigenerwärmung des Halbleiters hervorgerufene Betriebstemperatur des Halbleiters um mindestens 20 , vorzugsweise um 300 über der Umgebungstemperatur liegt.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert !
Es zeigt : Fig. l ein Halbleitergerät im Längsschnitt, Fig. 2 Stromspannungskennlinien des Halbleitergeräts nach Fig. 1 und Fig. 3 das Schaltbild einer mit Halbleitergeraten nach Fig,1 ausgerüsteten Regeleinrichtung für die von einer Kraftfahrzeug-Lichtmaschine erzeugte Spannung.
Das Halbleitergerät nach Fig. 1 hat einen aus einer Kupferplatine durch Fliesspressen hergestellten Becher 10 von etwa 7 mm Höhe und 6 mm Durchmesser. Innen am Becherboden 11 ist mittels einer Zinn- scheibe 12 eine etwa 0, 3 mm starke Halbleiterscheibe 13 aus n-Germanium festgelötet. Zur Herstellung der Halbleiterscheibe wird von hochgereinigtem Germanium ausgegangen, das auf 10'- 1010 Germanium-- atome nur höchsten ein Fremdatom enthält. Dieses Germanium wird unter Zugabe von Antimon in einem Tiegel geschmolzen und erhalt durch das zugegebene Antimon n-Leitfähigkeit.
Dann wird in bekannter Weise aus der Schmelze ein zylinderförmiger Einkristall gezogen, der auf je 2, 5. 10 Germaniumatome ein Antimonatom enthält und daher einen verhältnismässig niedrigen spezifischen Widerstand von etwa 0, l Ohm. cm hat. Durch quer zur Längsachse des Kristalls geführte Sägeschnitt werden sodann 0, 3 mm starke Scheiben 13 gewonnen.
Auf der vom Becherboden 11 abgekehrten Seite der Germaniumscheibe 13 ist mittels einer Indiumpille 14 ein Kupferdraht 16 festgelötet, der durch die zentrale Bohrung einer Isolierscheibe 15 hindurchgeführt ist und aus dem Becher herausragt. Der über der Scheibe 15 befindliche Hohlraum ist mit einer Vergussmasse 17 ausgefüllt.
Das Zusammenlöten der beschriebenen Anordnung erfolgt in einem einziger Arbeitsgang durch Erhitzen auf etwa 5200C - 5300C unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum, wobei die zwischen der Halbleiterscheibe 13 und dem Boden des Bechers befindliche Zinnschicht 12 schmilzt und gleichzeitig die als Löt-
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mittel für den Anschlussdraht 16 dienende Indiumpille so weit in die Germaniumscheibe einlegiert, dass sich dort die mit 19 angedeutete p-n-Schicht bildet.
Bei diesem Löt- und Legierungsvorgang löst die ursprünglich in Form eines Zylinders von 1, 8 mm
Durchmesser und 1, 5 mm Höhe auf die Halbleiterscheibe 15 aufgesetzte Indiumpille, die einen Reinheitsi grad von 99,999% hat, aus dem der Germaniumscheibe zugekehrten Endabschnitt 16a des Anschlussdrah- tes 16 etwa 0. 6 mm 3 Kupfer heraus, das bis in die bei 19 angedeutete Grenzschicht vordringt und dorl eine hohe Leitfähigkeit erzeugt. Ausserdem löst das schmelzflüssige Indium bei den angegebenen Legierungs- temperaturen aus der Germaniumscheibe Germaniumatome, die sich ebenfalls mit dem Indium legieren.
Da das Volumen der Indiumpille bei den angegebenen Abmessungen vor dem Legierungsvorgang etwa i 3, 9 mm beträgt, ergibt sich ein Legierungsverhältnis des reinen Indiums zu dem nach dem Legierungsvor-
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Erkalten aus einer Indium-Kupfer-Germanium-Legierung bestehende Lötpille 14 einen wesentlich höheren
Schmelzpunkt hat. als er sich bei reinem Indium ergeben würde, anderseits wird eine sehr hohe Fluss- i Stromsteilheit des Stromleiters erzielt, wie die Kennlinie nach Fig. 2 erkennen lässt.
Die dort mit einer unterbrochenen Linie angegebene Kennlinie A ist in der Weise gemessen worden, dass durch den Stromlei- ter nach Fig. 1 jeweils für die Zeit von etwa 1 sek. ein Strom J von den angegebenen Werten hindurchge- schickt und der zwischen dem Anschlussdraht 16 und dem Kühlkörper 10 entstehende Spannungsabfall U gemessen wurde.
Dabei ergaben sich folgende Messwerte :
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<tb>
<tb> J <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> A <SEP> U <SEP> =0, <SEP> 24 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 27 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 29 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> V <SEP>
<tb> J <SEP> = <SEP> 1 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 32 <SEP> V
<tb> J <SEP> = <SEP> 2 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> V <SEP>
<tb> J <SEP> = <SEP> 5 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 37 <SEP> V
<tb> J <SEP> =10 <SEP> A <SEP> U <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> V
<tb>
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Dauerstrom im Halbleiter mindestens eine Übertemperatur von 200C,gegenüber der Umgebungstemperatur erzeugt.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass man dann mit einem Halbleiter der beschriebenen Art die in Fig. 2 mit einer ausgezogenen Linie dargestellte Kennlinie B erreichen kann, die wesentlichsteilerist als die bei intermittierender Belastung entstehende Kennlinie A. Bei Stromwerten J, die grösser sind als 1 A kann man sogar eine unendlich grosse Steilheit erreichen, wenn man zur Erzielung der oben angegebenen Übertemperaturen die für den Stromübergang von der p- zur n-Zone im
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nur verhältnismässig kleine Wärmemengen abzuführen vermag.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die für den Stromübergang zur Verfügung stehende Kreisfläche bei etwa 1, 8 mm Durchmesser einen Querschnitt Q von rund 2, 5 mm. Die zur Wärmeabfuhr zur Verfügung stehende äussere Oberfläche 0 des als Kühlkörper wirkenden Bechers 10 ist bei den angege-
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linie B mit einer oberhalb von 1 A praktisch unendlich grossen Steilheit erzielt wird, wenn das Produkt P = Q. 0 höchstens 500, vorzugsweise jedoch 300 - 400 mm'beträgt.
Bei der in Fig. 3 im Schaltbild dargestellten Anlage sind zwei Halbleiter 30 und 31 der in Fig. 1 wiedergegebenen Art so verwendet, dass an jedem dieser Halbleiter ein Spannungsabfall entsteht, der auch bei stark wechselnder Betriebsspannung praktisch konstant bleibt. Die Anlage enthält auch zwei Transistoren 40 und 41, von denen der mit 40 bezeichnete als p-n-p-Leistungstransistor ausgebildet ist und mit seiner Kollektorelektrode K an die Nebenschlussfeldwicklung F der Gleichstromlichtmaschine G angeschlossen ist. Die Feldwicklung F ist mit ihrem andern Wicklungsende an die mit der Minusbürste a verbundene
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halbleiter 30 an der mit der Plus'würste b der Lichtmaschine verbundenen Plusleitung 44.
Von der Emitterelektrode zweigt ausserdem eine Leitung 45 ab, die aber einen Widerstand 46 zur Basiselektrode des zwei-
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transistors 41 ist die Basis des Leitungstransistors 40 unmittelbar verbunden.
Die Regeleinrichtung arbeitet folgendermassen :
Wenn die Lichtmaschine G aus dem Stillstand heraus angetrieben wird, so verursacht das in ihren Eisen- teilen verbliebene magnetische Restfeld eine kleine Spannung, die jedoch gross genug ist, dass der Lei- stungstransistor 40 einen Erregerstrom Je über die Feldwicklung F zu führen vermag. Die hiebei entstehen- de Verstärkung des Magnetfeldes bewirkt eine Erhöhung der an den Klemmen a und b auftretenden Licht- maschinenspannung, die bei genügender Antriebsdrehzahl sehr rasch so weit ansteigt, dass sie die Lade- spannung von etwa 12,6 V der bei 50 angedeuteten Sammlerbatterie der Lichtanlage erreicht.
Sobald diese Spannung geringfügig überschritten wird und etwa 13,5 V erreicht, wird der Leistungstransistor 40 zu- sammen mit dem Steuertransistor 41 kurzzeitig in seinen Sperrzustand gebracht, so dass der Erregerstrom
Je rasch zurückgeht und die Lichtmaschinenspannung absinkt. Diese Sperrung des Leistungstransistors kommt dadurch zustande, dass die am Halbleiter 31 entstehende praktisch konstant bleibende Spannung bei anstei- gender Lichtmaschinenspannungeinen Wert von etwa 0,3 V beibehält, während das Potential der Emitter- elektrode des Steuertransistors 41 mit der Lichtmaschinenspannung ansteigt.
Das Verhältnis der Widerstand- de 48 und 49 ist so gewählt, dass bei der gewünschten Sollspannung von 13,5 V das Emitterpotential einen
Wert erreicht, bei dem der Steuertransistor nicht mehr in seinem stromleitenden Zustand gehalten werden kann und daher auch den Leistungstransistor 40 sperrt. Sobald jedoch die Lichtmaschinenspannung wegen des fehlenden Erregerstromes geringfügig absinkt, wird der Steuertransistor 41 wieder stromleitend, weil dann sein Emitterpotential kleiner als das unverändert geblieben Basispotential wird. Durch den dann einsetzenden Kollektorstrom des Steuertransistors 41 wird der Leistungstransistor ebenfalls wieder stromleitend. Sein über die Feldwicklung F gehender Kollektorstrom bewirkt dann einen erneuten Anstieg der Lichtmaschinenspannung, so dass das beschriebene Spiel sich wiederholen kann.
PATENTANSPRÜCHE : l. Spannungsschnellregler für im Nebenschluss erregte Lichtmaschinen von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, der einen mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zur Erregerwicklung der Lichtmaschine in Reihe geschalteten Leistungstransistor enthält, der von einem Steuertransistor gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des Leistungstransistors (40) mit einer Ausgangsklemme (b) der Lichtmaschine (G) über einen p-n-Halbleiter (30) mit stark ausgeprägtem Knick in seiner StrOmspannungskennl1 - nie verbunden ist, der in seiner Durchlassrichtung über einen derart niedrig bemessenen Widerstand (46) mit der andern Ausgangsklemme (a) der Lichtmaschine verbunden ist, dass der über den Widerstand (46) und den Halbleiter (30) fliessende Strom am Halbleiter einen Spannungsabfall erzeugt,
der mindestens gleich gross wie die Knickspannung (Uk) des Halbleiters (30) ist.