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Lichtanlage für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtanlage für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit einem Generator und einer selbsttätigen, an die zu regelnde Spannung angeschlossenen Regeleinrichtung für den Generator, die mindestens einen Leistungstransistor enthält, der mitseiner Emitter-Kollektorstrek- ke in Reihe mit der Feldwicklung des Generators liegt und von einem Steuertransistor kurzzeitig und perio- disch aus seinem leitenden in den nichtleitenden Zustand gebracht wird, sobald die Spannung des Genera- tors ihren Sollwert überschreitet.
Bei den für bekannte Lichtanlagen dieser Art vorgesehenen Regeleinrichtungen sollen p-n-p-Leistungs- transistoren verwendet werden, deren Kollektor über die Feldwicklung des Generators mit der vom Generator zu seinen Verbrauchern führenden Minusleitung verbunden ist. In sinngemässer Abwandlung können auch n-p-n-Leistungstransistoren verwendet werden, bei denen der Kollektor mit der Plusleitung verbun- den ist. Wenn im folgenden daher auf p-n-p-Transistoren Bezug genommen ist, so wird als selbstverständlich unterstellt, dass unter sinngemässer Vertauschung der Polaritäten an Stelle von p-n-p-Transistoren auch n-p-n-Transistoren verwendet werden können.
Bei Regeleinrichtungen für Generatoren, die eine hohe Ausgangsspannung von beispielsweise 110 V haben, treten beim Sperren des über die Erregerwicklung des Generators fliessenden Erregerstromes Spannungsspitzen von etwa 140 V auf, die eine Zerstörung des mit der Erregerwicklung in Reihe geschalteten Leistungstransistors verursachen können. E & sind zwar bereits Leistungstransistoren bekanntgeworden, die derartig hohe Sperrspannungen zu ertragen vermögen. Solche Transistoren sind jedoch sehr teuer in der Herstellung.
Es ist auch bereits z. B. aus der deutschenAuslegeschriftNr. 1052526 (Leonhard) bekannt, mit der Er- regerwicklung des Generators mehrere Leistungsiransistorenm Reihe zu schalten, jedoch wird dort die Vorgabe des Transistorbasispotentiales mittels einer Schaltung bewirkt, die für jeden Transistor einen eigenen Spannungsteiler erfordert, deren jeder in Serie mit der Generatorerregerwicklung liegt.
Zum Unterschied davon schlägt die Erfindung vor. parallel zu der Reihenschaltung aus der Erregerwicklung und den Transistoren einen aus mindestens zwei Widerständen bestehenden Spannungsteiler anzuordnen, bei dem der Verbindungspunkt zweier Widerstände an der Basis des an die Erregerwicklung angeschlossenen ersten Transistors liegt und die Widerstände untereinander ein Verhältnis haben, das dem Verhältnis der zulässigen Kollektorspannungen der Transistoren entspricht.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben und erläutert.
Es zeigt : Fig. l das Schaltschema der Lichtanlage samt Regeleinrichtung, Fig. 2 einen Ausschnitt des Schaltschema einer andern Regeleinrichtung, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Regeleinrichtung ebenfalls ausschnittsweise in ihrem Schaltbild.
Die Lichtanlage enthält einen Drehstromgenerator 10 mit drei im Ständer des Generators unterebrachten Wicklungen 11, 12 und 13 und einer auf dem umlaufenden Anker sitzenden Erregerwicklung 14, sowie eine 110 V-Batterie IS. derenMinuspolüber eine Leitung 16 und deren Pluspol über eine Leitung 18 mit einer Gleichrichteranordnung 20 verbunden ist, die aus sechs einzelnen Einweggleichrichtem 21 besteht. Bei vier der sechs Gleichrichter 21, die paarweise hintereinandergeschaltet zwischen der Minusleitung 16 und der Plusleitung 18 liegen, sind die Verbindungspunkte jeweils eines Gleichrichterpaares an
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den Verbindungspunkt der Wechselstromwicklungen 11 und 12 bzw. 12 und 13 des Generators 10 ange- schlossen.
Zwischen dem Verbindungspunkt des dritten Gleichrichterpaares und dem Verbindungspunkt der beiden Generatorwicklungen 11 und 13 ist die Primärwicklung 23 eines Stromtransformators eingeschaltet, der auf einem bei 24 angedeuteten'Eisenkern zwei Wicklungshälften 25 und 26 einer Sekundärwicklung trägt. Zwischen den Enden der Sekundärwicklung liegen zwei Belastungswiderstände, die aus einem Fest- widerstand 27 von etwa 10 Ohm und einem veränderbaren Widerstand 28 von ebenfalls etwa 10 Ohm be- stehen. Von den Wicklungsenden der Sekundärwicklung fuhren ausserdem zwei in der angedeuteten Richtung stromdurchlässige Gleichrichter 30 und 31 zum Pluspol eines Elektrolytkondensators 32, dessen Minuspol mit dem Mittelabgriff zwischen den Wicklungshälften 25 und 26 verbunden ist.
Die am Kondensator 32 entstehende Spannung Uc ist annähernd proportional dem Belastungsstrom Je. der vom Generator 10 zu der Batterie 15 fliesst, sobald die Spannung U zwischen den Leitungen 16 und 18 grösser wird als die dem jeweiligen. Ladezustand entsprechende Spannung der Batterie 15.
Die vom Generator 10 gelieferte Spannung Ug wird auf einem gleichbleibenden Wert von 110 V mit Hilfe einer Regeleinrichtung gehalten, die im folgenden beschrieben ist.
Die Regeleinrichtung enthält zwei Leistungstransistoren 35, 36 und einen zur Steuerung dieser Tran- sistoren dienenden weiteren Transistor 41, einen zwischen den Leistungstransistoren und dem Steuertran- sistor angeordneten Transformator 42, eine in Sperrichtung beanspruchte Zenerdiode 43, sowie einen in seiner Durchlassrichtung betriebenen, nichtlinearen Stromleiter 44, der im Durchlassbereich bei einer an- gelegten Spannung von etwa 0, 3 V einen scharfen Knick in seiner Stromspannungs-Kennlinie aufweist.
Dieser Stromleiter ist mit einer seiner beidenElektroden an die Plusleitung 18, mitseiner andernElektrode an den Verbindungspunkt P der mit 45 und 46 bezeichneten beiden Sekundärwicklungen des Transforma- tors 42 angeschlossen. Die Wicklung 45 weist nur 20 Windungen auf und ist mit ihrem freien Ende sowohl an einen Germaniumgleichrichter 48, der zur Basis des Leistungstransistors 35 führt, als auch mit dem
Emitter E des Steuertransistors 41 verbunden. Die auf dem gleichen, bei 49 angedeuteten Eisenkern des
Transformators 42 sitzende Primärwicklung 50 weist ebenso wie die Sekundärwicklung 46 150Windungen auf. Sie liegt mit ihrem einen Ende am Kollektor K des Steuertransistors 41 und mit ihrem andern Wick- lungsende an der Minusleitung 16.
Das freie Wicklungsende der Sekundärwicklung 46 ist über einen Gleich- richter 52 ebenfalls an die Basis B des Leistungstransistors 35 geführt. Die Basis dieses Transistors liegt ausserdem aber einen Widerstand 55 an der Minusleitung 16.
Mit der Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors 35ist die Emitter-Kollektorstrecke des zweiten
Leistungstransistors 36 und mit dieser die Erregerwicklung 14 in Reihe geschaltet. Von der Plusleitung 16 zur Minusleitung 18 führt ein aus zwei Widerständen 37 und 38 gebildeter Spannungsteiler. Am Verbin- dungspunkt der Widerstände 37 und 38 liegt die Basis des zweiten Leistungstransistors 36. Die Grösse des
Widerstandes 37 ist in bezug auf die Grösse des Widerstandes 38 so gewählt, dass sich der Widerstandswert des Widerstandes 37 zu demjenigen des Widerstandes 38 wie die zulässige Emitter-Kollektor-Spannung des
Transistors 35 zur zulässigen Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 36 verhält.
Im vorliegenden Falle sind die beiden Transistoren von gleicher Type und daher die Widerstände 37 und 38 gleich gross gewählt.
Von der Basis des Leistungstransistors 35 zweigt ferner eine Verbindungsleitung 56 ab, die zum Plus- pol des Kondensators 32dereingangsbeschriebenenStromregeleinrichtungführt. An den Minuspol des Kon- densators 32 ist die Ableitungselektrode einer Germaniumdiode 60 angeschlossen, die mit ihrer Zuleitungselektrode an dem verstellbaren Abgriff 61 eines Potentiometers 62 liegt. Das eine der beiden Enden des
Potentiometers 62 ist über einen Widerstand 63 von etwa 50 Ohm mit der Plusleitung 13 verbunden, während das andere Ende über einen Widerstand 64 von etwa 300 Ohm an die Minusleitung 16 angeschlossen ist. Die zwischen dem Schleifer 61 und der Plusleitung 18 wirksame Spannung ist in der Zeichnung mit
Us angedeutet.
An dieser Spannung liegt ein Kondensator 65 von etwa 1 uF und die bereits erwähnte Zenerdiode 43, die zur Basis B des Steuertransistors 41 führt. Die Basis dieses Transistors liegt über einen Widerstand 66 von etwa 100 Ohm an der Plusleitung 18.
Die Lichtanlage arbeitet in Verbindung mit der beschriebenen Regeleinrichtung folgendermassen :
Sobald der Wechselstromgenerator 10 beim Anwerfen der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs mit einer bei etwa 500 U/min liegenden Mindestdiehzahl angetrieben wird, entsteht infolge der in seinen Eisenteilen vorhandenen Remanenz in den Wechselstromwicklungen 11,12 und 13 eine wenn auch kleine Wechselspannung, die über die Gleichrichter 21 an die Plus- und Minusleitung gelangt. Diese Spannung reicht aus, um über die Erregerwicklung 14 und die in diesem Falle stromleitenden Transistoren 35 und 36 einen kleinen Erregerstrom JE zu führen, der seinerseits eine erhöhte induzierte Spannung in den Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13 zur Folge hat.
Infolge dieser Selbsterregung erreicht bei genügender Antriebsdrehzahl des Generators 10 die Generatorausgangsspannung Ug zwischen den Leitungen 16 und 18 rasch
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Strom JL in der angezeichnetenPfeilrichtungzufliessen, durch den die Batterie über ihren augenblicklichen Ladungszustand hinaus weiter aufgeladen wird. Sobald jedoch die zwischen den beiden Leitungen 16 und 18 entstehende Spannung den Wert von 110 V überschreitet, wird die Spannung Us am Schleifer des Potentiometers 62 grösser als 16 V und die für diesen Wert bemessene Zenerdiode 43 vermag von der Basis B des Steuertransistors 41 einen zur Minusleitung 16 fliessenden Steuerstrom Js zu führen.
Dadurch wird der bisher gesperrte Steuertransistor 41 stromleitend und erzeugt sowohl einen ober die Wicklung 45 gehenden Emitterstrom Je als auch einen über die Wicklung 50 gehenden Kollektorstrom Jk. Diese beiden Wickhmgen sindso gepolt, dass sie eine Rilckkopplungswirkung erzeugen. Bei geringfügiger Zunahme des Kollektor-
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durchter-Basisspannung vergrössert und demzufolge auch der über die Emitter-Basisstrecke des Transistors 41 flie- ssende Steuerstrom Js verstärkt wird.
Dieser bewirkt seinerseits wieder eine Vergrösserung des Kollektorstromes Je Sobald jedoch der Kollektorstrom Jk sich seinem durch die Rückkopplung und die Stromverstlr- kung des Transistors 41 festgelegten und durch die Höhe der Batteriespannung bzw. der Generatorspannung
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Folge, dass auch der seither nur noch schwach zunehmende Kollektorstrom Jk in dieser Höhe nicht mehr aufrechterhalten werden kann und abzufallen beginnt. Dies erzeugt jedoch in der Wicklung 45 eine der vorher wirksam gewesenen Spannung UR entgegengesetzte Spannung UT, die bewirkt, dass der Transistor
41 in seinen ursprünglichen Sperrzustand zurückkehrt.
Nach dieser Sperrschwingung verbleibt der Steuertran- sistor 41 in seinem Sperrzustand, sofern durch den im folgenden beschriebenen Regelvorgang die am Schlei- fer 61 wirksame Spannung Us inzwischen unter die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 43 von 16 V abgesenkt worden ist. Fal1Jdies noch nicht erreicht wurde und die Generatorspannung Ug immer noch zu hoch ist, erzeugt der Steuertransistor 41 sofort wieder eine neue Sperrschwingung.
Die eben beschriebene Sperrschwingung hat nämlich zur Folge, dass sowohl zu Anfang wie auch am Ende der Sperrschwingung je ein Spannungsimpuls UR bzw. UT in den Wicklungen 45 und 46 erzeugt wird.
Diese Impulse laden den zwischen dem Verbindungspunkt P der Wicklungen 45 und 46 einerseits und der Basis des Transistors 35 anderseits liegenden Kondensator 80 zu einer solch starken positiven Spannung auf, dass die Basis des Leistungstransistors 35 wesentlich stärker positiv wird als der Emitter E des Leistungstransistors 35. Der Leistungstransistor 35 wird daher mit dem Einsetzen der vom Steuertransistor 41 hervorgerufenen Sperrschwingung sofort gesperrt und der bisher über die Erregerwicklung 14 fliessende Feldstromjp wird stark verkleinert.
Dies kommt dadurch zustande, dass der dem Emitter des ersten Leistungstransistors 36 zufliessende Kollektorstrom Jc des zweiten Leistungstransistors 35 auf einen sehr kleinen Wert zurückgeht und sich überdies im ersten Transistor 36 verzweigt, so dass über dessen Emitter-Basisstrecke nur noch ein sehr geringer Basisstrom fliessen kann, zumal die Basis des ersten Leistungstransistors 36 wegen des Anschlusses an den Spannungsteiler 37,38 an einem praktisch unveränderten Potential liegt. Der erste Leistungstransistor gelangt daher ebenfalls in sein Sperrgebiet. Der Erregerstrom JE wird demzufolge erheblich herabgesetzt, wobei sich die an den Emitter-Kollektor-Strecken der Leistungstransistoren auftretenden Spannungen wie die Widerstände 37 und 38 verhalten.
Der zur Wicklung 14 parallelgeschaltete Gleichrichter 81hathiebei lediglich die Aufgabe, die in der Wicklung 14 entstehenden Spannungsspitzen unschädlich zu machen. Für die Wirkungsweise der Anlage hat er jedoch keine ausschlaggebende Bedeutung. Mit der Abnahme des Erregerstromes JE geht auch die in den Wicklungen 11-13 des Generators 10 induzierte Spannung zurück und lässt die zwischen der Minusleitung 16 und der Plusleitung 18 wirksame, am Schleifer 61 abgegriffene Spannung absinken. Erst wenn die von den Spannungsimpulsen in den Sekundärwicklungen 45 und 46 erzeugte Ladung des Kondensators 80 sich über den Widerstand 55 praktisch entladen hat, wird der Leistungstransistor 35 selbsttätig wieder stromleitend, da dann das Potential seiner Basis unter das seines Emitters absinkt.
An den Gleichrichtern 48, 52 und dem nichtlinearen Stromleiter 44 entsteht nämlich wegen des zwischen dem Verbindungspunkt P und der Minusleitung 16 eingeschalteten Widerstandes 82 ein konstanter Spannungsabfall von 0. 3 V. Dieser Wert ist durch die Schwell-oder Schleusenspannung des im Stromleiter 44 verwendeten Germaniums bestimmt und reicht aus, den Leistungstransistor 35 voll stromleitend zu machen.
Je stärker der zweite Leistungstransistor 35 stromleitend wird, umso kleiner wird die zwischen seinem Emitter und Kollektor entstehende Spannung und umso grösser wird demzufolge die Emitter-Basisspannung des ersten Leistungstransistors 36. Dadurch wird auch dieser in sein Sättigungsgebiet gesteuert und gestattet es, dass der über die Feldwicklung 14 des Generators fliessende Erregerstrom JE auf beträchtliche Werte
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ansteigt. Mit wachsender Feldstärke beginnt jedoch auch die Generatorausgangsspannung UG wieder zu steigen. Die Leistungstransistoren 35 und 36 bleiben so lange stromleitend, bis die vom Generator 10 er- zeugte Spannung U den Sollwert von 110 V wieder erreicht hat..
Dannkann das beschriebene Spiel von neuem beginnen. g
In Verbindung mit der eben beschriebenen Spannungsregelung wird ein Stromregelungsvorgang dann wirksam, wenn der über die Plusleitung fliessende Belastungsstrom JL des Generators 10 einen vorgegebe- nen Höchstwert überschreitet. Zur Aufrechterhaltung des Belastungsstroms L, muss nämlich vom Verbin- dungspunkt der Wechselstromwicklungen 11 und 13 des Generators 10 über die Primärwicklung 23 des Strom- transformators zum Gleichrichter 20 ein Wechselstrom geführt werden, der in den beiden Sekundärwick- lungen 25 und 26 des Stromtransformators eine Spannung erzeugt, die den Kondensator 32 auf eine mit steigendem Laststrom 11 annähernd linear anwachsende Ladespannung Uc auflädt.
Solange diese Spannung unter einem Wert von 16 V liegt, hat sie auf die Auslösung von Sperrschwingvorgängen im Steuertransistor 41 keinen Einfluss, da in diesem Falle der Gleichrichter 60 gesperrt ist. Wenn dagegen der Laststrom JL sich seinem Höchstwert nähert, nimmt die Spannung Uc einen Wert von annähernd 16 V an, der dazu führt, dass der Gleichrichter 60 stromleitend wird, auch wenn die am Schleifer 61 des Potentiometers 62 abgegriffene Spannung Us und mit dieser die Ausgangsspannung des Generators Ua diesen Wert nicht erreicht.
In diesem Falle wird die Zenerdiode 43 ebenfalls stromleitend und erzeugt fast unabhängig von der Höhe der jeweils vorhandenen Klemmenspannung des Generators im Steuertransistor 41 eine der vorher beschriebenen Sperrschwingungen, durch die jeder der Leistungstransistoren kurzzeitig gesperrt wird.
Der auf eine Verringerung der an den Leistungstransistoren 35 und 36 entstehenden Verlustleistungen abzielende Hauptgedanke der Erfindung wird an den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich.
Fig. 2 stellt ein vereinfachtes Schaltbild eines gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausführungsbeispiels ausschnittsweise dar. Soweit die einzelnen Schaltelemente mit denjenigen des Beispiels nach Fig. l übereinstimmen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. l versehen. Der Gleichstromwiderstand R der Erregerwicklung ist bei 40 angedeutet.
Im Gegensatz zumAusführungsbeispielnachFig. l ist zwischen dem Emitter des mit seiner Kollektorelektrode an die Erregerwicklung angeschlossenen Transistors 36 und seiner Basis, die an den Verbindungs- punkt der beiden Spannungsteilerwiderstände 37 und 38 angeschlossen ist, eine Halbleiterdiode D vorgesehen. Ausserdem führt vom Emitter dieses Transistors zur Minusleitung 16 ein Widerstand 70. Dieser hat die Aufgabe, in Verbindung mit der Halbleiterdiode Deine vollständige Sperrung des Transistors 36 sicherzustellen, wenn die zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 35 wirksame, bei Ub angedeutete Steuerspannung auf den Wert 0 zurückgeht.
Bei diesem Wert der Steuerspannung Ub stellt sich nämlich ein Kollektorruhestrom Jco des Transistors 35 ein, der am Widerstand 70 einen Spannungsabfall von etwa 55 V erzeugt, wenn das Verhältnis der Widerstände 37 und 38 1 : 1 beträgt. Wenn dagegen die Steuerspannung
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der Transistor 35 stark stromleitend. Der dann fliessende Kollektorstrom des Transistors 35 teilt sich in einen über den Widerstand 70 gehenden Teilstrom 11 und einen über den Transistor 36 fliessenden Teilstrom J2 auf. DieserverzweigtsichimTransistor 36 in einen über die Basiselektrode des Transistors 35 fliessenden Basisstrom Jb und einen über den Gleichstromwiderstand 40 der Erregerwicklung fliessenden Kollektorstroms.
Der Basisstrom Jb hat zur Folge, dass gleichzeitig mit dem Transistor 35 auch der Transistor 36 stark stromleitend wird. Beim Verschwinden der Steuerspannung U, bewirkt die Spannungsteilung an den Widerständen 3'7 und 3 8, dass das Potential an der Basis des Transistors 36 auf einen um 55 V über dem Potential der Minusleitung 16 liegenden Wert festgehalten wird.
DieDiodeD stellt für den Fall, dass der mit der Erregerwicklung unmittelbar verbundene Transistor 36 noch nicht vollkommen gesperrt ist und zwischen dem Emitter des Transistors 36 und der Minuslei : ung 16 eine wesentlich unter 55 V liegende Spannung sich einstellen wurde, einen ttber den Widerstand 37, die Diode D und den Widerstand 70 gehenden, in Fig. 2 nicht angedeuteten Querstrom ein, durch den die erwünschte Spannungsaufteilung in je 55 V sich selbsttätig einstellt. Um Schaltverzögerungen, die durch sogenannten Elektronenstau im Transistor 36entstehen könnten, mit Sicherheit zu vermeiden, kann man zusätzlich zum Widerstand 38 einen in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien angedeuteten Kondensator C parallelschalten.
Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind mit dem Gleichstromwiderstand 40 der Erregerwick- lung des Generators die Emitter-Kollektor-Strecken von drei Transistoren Tr Tr und T in Reihe zwischen der Minusleitung 16 und der Plusleitung 18 angeordnet. Während an der Basis des Transistors Trs die Steuerspannung Ub wirksam wird, liegt die Basis des Transistors Tr2 am Verbindungspunkt zweier als Span-
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nungsteiler wirkenden Widerstände R und R ;, von denen der Widerstand Rj mit der Plusleitung 18 ver- bunden ist. Der Widerstandswert des Widerstandes R, ist doppelt so gross wie der Widerstandswert des Wider- standes R.
Im Gegensatz hiezu liegt die Basis des Transistors Tr1 am Verbindungspunkt zweier Widerstände
Ral und Rbl, von denen der mit der Plusleitung verbundene Widerstand Rbi einen doppelt so grossen Wert wie i der mit der Minusleitung'verbundene Widerstand Ra. hat, während der Widerstand Rat gleich gross wie der zum Spannungsteiler des Transistors Tr2 gehörende Widerstand Raz ist.
Wenn man eine beliebige mit n bezeichnete Anzahl von Transistoren mit ihrer Emitter-Kollektor-
Strecke derart in Reihe schaltet, dass der mit der Erregerwicklung verbundene Transistor T, von dem vor-
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dieser wieder von einem Transistor Trader jeweils von der Basis eines Transistors Tri zur Minusleitung führenden Widerstände Rai folgende Be- messungsregel angeben :
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wenn mit R der Gleichstromwiderstand der Erregerwicklung und mit a der Stromverstärkungsfaktor des jeweiligen, durch den Index i angedeuteten Transistors bezeichnet wird.
In diesem Fall ist beispielsweise
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Wenn man erreichen will, dass die jeweiligen Kollektorströme sich linear mit der Steuerspannung Ub am n-ten Transistor ändern, wird der in der Formel (1) angegebene Faktor k zwischen 0, 9 und l, t, vorzugsweise gleich l. gewählt, während man bei Einrichtungen, bei denen die Transistoren wie bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen entweder voll stromleitend oder möglichst weitgehend gesperrt sein sol-
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5PATENTANSPRÜCHE :
1. Lichtanlage für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit einem Generator und einer selbsttä- tigen, an die zu regelnde Generatorspannung angeschlossenen Regeleinrichtung für den Generator, die mindestens zwei Leistungstransistoren enthält, die mit ihren Emitter-Kollektorstrecken in Reihe mit der Erregerwicklung des Generators liegen und deren einer von einem Steuertransistor kurzzeitig und periodisch aus seinem leitenden in seinen nichtleitenden Zustand gebracht wird, sobald die Spannung des Generators ihren Sollwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Reihenschaltung aus der Erregerwicklung und den Emitterkollektorstrecken der Transistorenein aus mindestens zwei Widerständen (37, 38) bestehender Spannungsteiler angeordnet ist,
bei dem der Verbindungspunkt zweier Widerstände an der Basis des an die Erregerwicklung angeschlossenen ersten Transistors (36) liegt und die Widerstände untereinander ein Verhältnis haben, das dem Verhältnis der zulässigen Kollektorspannungen der Transistoren entspricht.
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Lighting systems for vehicles, in particular motor vehicles
The invention relates to a lighting system for vehicles, especially motor vehicles, with a generator and an automatic, connected to the voltage to be regulated control device for the generator, which contains at least one power transistor, the with its emitter collector path in series with the field winding of the Generator and is temporarily and periodically brought from its conductive to the non-conductive state by a control transistor as soon as the voltage of the generator exceeds its setpoint value.
In the control devices provided for known lighting systems of this type, p-n-p power transistors are to be used, the collector of which is connected via the field winding of the generator to the negative line leading from the generator to its consumers. In a corresponding modification, n-p-n power transistors can also be used in which the collector is connected to the positive line. When reference is therefore made in the following to p-n-p transistors, it is assumed as a matter of course that n-p-n transistors can also be used instead of p-n-p transistors, with the polarities being reversed.
In control devices for generators that have a high output voltage of 110 V, for example, voltage peaks of around 140 V occur when the excitation current flowing through the exciter winding of the generator is blocked, which can destroy the power transistor connected in series with the exciter winding. E &, power transistors have already become known that are able to withstand such high reverse voltages. However, such transistors are very expensive to manufacture.
It is already z. B. from the German AuslegeschriftNr. 1052526 (Leonhard) known to connect several power transistors in series with the excitation winding of the generator, but there the specification of the transistor base potential is effected by means of a circuit that requires a separate voltage divider for each transistor, each of which is in series with the generator excitation winding.
In contrast to this, the invention proposes. to arrange a voltage divider consisting of at least two resistors parallel to the series connection of the excitation winding and the transistors, in which the connection point of two resistors is at the base of the first transistor connected to the excitation winding and the resistors have a ratio to one another that corresponds to the ratio of the permissible collector voltages of the transistors.
Further details of the invention are described and explained in the drawing using exemplary embodiments.
It shows: FIG. 1 the circuit diagram of the lighting system including the control device, FIG. 2 a section of the circuit diagram of another control device, FIG. 3 a third exemplary embodiment of a control device also in its circuit diagram.
The lighting system contains a three-phase generator 10 with three windings 11, 12 and 13 located in the stator of the generator and an excitation winding 14 sitting on the rotating armature, as well as a 110 V battery IS. whose negative pole is connected via a line 16 and whose positive pole is connected via a line 18 to a rectifier arrangement 20, which consists of six individual half-wave rectifiers 21. With four of the six rectifiers 21, which are connected in series in pairs between the negative line 16 and the positive line 18, the connection points of one rectifier pair are each connected
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the connection point of the alternating current windings 11 and 12 or 12 and 13 of the generator 10 are connected.
Between the connection point of the third rectifier pair and the connection point of the two generator windings 11 and 13, the primary winding 23 of a current transformer is connected, which carries two winding halves 25 and 26 of a secondary winding on an iron core indicated at 24. Between the ends of the secondary winding are two load resistors, which consist of a fixed resistor 27 of about 10 ohms and a variable resistor 28 of also about 10 ohms. From the winding ends of the secondary winding, two rectifiers 30 and 31 which are permeable to current in the indicated direction also lead to the positive pole of an electrolytic capacitor 32, the negative pole of which is connected to the center tap between the winding halves 25 and 26.
The voltage Uc arising across the capacitor 32 is approximately proportional to the load current Je. which flows from the generator 10 to the battery 15 as soon as the voltage U between the lines 16 and 18 is greater than that of the respective one. Charge level corresponding voltage of the battery 15.
The voltage Ug supplied by the generator 10 is kept at a constant value of 110 V with the aid of a control device which is described below.
The control device contains two power transistors 35, 36 and a further transistor 41 used to control these transistors, a transformer 42 arranged between the power transistors and the control transistor, a reverse-biased Zener diode 43, and a non-linear current conductor operated in its forward direction 44, which has a sharp bend in its current-voltage characteristic curve in the pass band with an applied voltage of about 0.3 V.
This current conductor is connected with one of its two electrodes to the positive line 18 and with its other electrode to the connection point P of the two secondary windings of the transformer 42, denoted by 45 and 46. The winding 45 has only 20 turns and its free end is connected to a germanium rectifier 48, which leads to the base of the power transistor 35, as well as to the
Emitter E of the control transistor 41 connected. The iron core of the same, indicated at 49
Transformer 42 seated primary winding 50, like the secondary winding 46, has 150 turns. One end of it is connected to the collector K of the control transistor 41 and the other end of the winding is connected to the negative line 16.
The free winding end of the secondary winding 46 is also led to the base B of the power transistor 35 via a rectifier 52. The base of this transistor is also connected to a resistor 55 on the negative line 16.
With the emitter-base path of the power transistor 35 is the emitter-collector path of the second
Power transistor 36 and with this the excitation winding 14 connected in series. A voltage divider formed from two resistors 37 and 38 leads from the positive line 16 to the negative line 18. The base of the second power transistor 36 is located at the connection point of the resistors 37 and 38. The size of the
Resistor 37 is selected with respect to the size of resistor 38 so that the resistance value of resistor 37 to that of resistor 38 as the permissible emitter-collector voltage of the
Transistor 35 behaves in relation to the permissible emitter-collector voltage of transistor 36.
In the present case the two transistors are of the same type and therefore the resistors 37 and 38 are selected to be of the same size.
A connecting line 56 also branches off from the base of the power transistor 35 and leads to the positive pole of the capacitor 32 of the current regulating device described above. The discharge electrode of a germanium diode 60 is connected to the negative pole of the capacitor 32 and its supply electrode is connected to the adjustable tap 61 of a potentiometer 62. One of the two ends of the
Potentiometer 62 is connected to positive lead 13 via a resistor 63 of approximately 50 ohms, while the other end is connected to negative lead 16 via a resistor 64 of approximately 300 ohms. The effective voltage between the wiper 61 and the positive line 18 is shown in the drawing
Us indicated.
A capacitor 65 of approximately 1 uF and the already mentioned Zener diode 43, which leads to the base B of the control transistor 41, are connected to this voltage. The base of this transistor is connected to the positive line 18 via a resistor 66 of approximately 100 ohms.
The lighting system works in connection with the described control device as follows:
As soon as the alternator 10 is driven at a minimum speed of around 500 rpm when the internal combustion engine of the vehicle is started, the remanence in its iron parts in the alternating current windings 11, 12 and 13 results in an alternating voltage, albeit a small one, which is transmitted via the rectifier 21 reaches the plus and minus lines. This voltage is sufficient to conduct a small excitation current JE via the excitation winding 14 and the transistors 35 and 36, which in this case are conductive, which in turn results in an increased induced voltage in the alternating current windings 11, 12 and 13.
As a result of this self-excitation, when the drive speed of the generator 10 is sufficient, the generator output voltage Ug between the lines 16 and 18 quickly reaches
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Current JL to flow in the direction of the arrow indicated, by means of which the battery is further charged beyond its current state of charge. However, as soon as the voltage between the two lines 16 and 18 exceeds the value of 110 V, the voltage Us at the wiper of the potentiometer 62 is greater than 16 V and the Zener diode 43 measured for this value is able to connect from the base B of the control transistor 41 Negative line 16 to lead flowing control current Js.
As a result, the previously blocked control transistor 41 becomes conductive and generates both an emitter current Je passing over the winding 45 and a collector current Jk passing over the winding 50. These two winding circuits are polarized in such a way that they produce a feedback effect. With a slight increase in the collector
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durchter base voltage is increased and consequently the control current Js flowing via the emitter-base path of transistor 41 is also increased.
This in turn causes an increase in the collector current Je, however, as soon as the collector current Jk is determined by the feedback and the current amplification of the transistor 41 and by the level of the battery voltage or the generator voltage
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The result is that the collector current Jk, which has only increased slightly since then, can no longer be maintained at this level and begins to drop. However, this generates in the winding 45 a voltage UT that is opposite to the previously effective voltage UR, which causes the transistor
41 returns to its original locking state.
After this blocking oscillation, the control transistor 41 remains in its blocking state, provided that the voltage Us effective at the wiper 61 has meanwhile been lowered below the breakdown voltage of the Zener diode 43 of 16 V by the control process described below. If this has not yet been achieved and the generator voltage Ug is still too high, the control transistor 41 immediately generates a new blocking oscillation.
The just described blocking oscillation has the consequence that a voltage pulse UR or UT is generated in the windings 45 and 46 both at the beginning and at the end of the blocking oscillation.
These pulses charge the capacitor 80 between the connection point P of the windings 45 and 46 on the one hand and the base of the transistor 35 on the other hand to such a strong positive voltage that the base of the power transistor 35 becomes much more positive than the emitter E of the power transistor 35. The power transistor 35 is therefore blocked immediately with the onset of the blocking oscillation caused by the control transistor 41 and the field current jp which has previously flowed through the excitation winding 14 is greatly reduced.
This is due to the fact that the collector current Jc of the second power transistor 35 flowing to the emitter of the first power transistor 36 falls to a very small value and moreover branches out in the first transistor 36 so that only a very small base current can flow over its emitter-base path , especially since the base of the first power transistor 36 is at a practically unchanged potential because of the connection to the voltage divider 37, 38. The first power transistor therefore also reaches its restricted area. The excitation current JE is consequently reduced considerably, the voltages occurring at the emitter-collector paths of the power transistors behaving like the resistors 37 and 38.
The rectifier 81 connected in parallel to the winding 14 only has the task of rendering the voltage peaks occurring in the winding 14 harmless. However, it is of no decisive importance for the operation of the system. With the decrease in the excitation current JE, the voltage induced in the windings 11-13 of the generator 10 also decreases and the voltage that is effective between the negative line 16 and the positive line 18 and is tapped at the wiper 61 drops. Only when the charge of the capacitor 80 generated by the voltage pulses in the secondary windings 45 and 46 has practically discharged via the resistor 55, the power transistor 35 automatically becomes conductive again, since the potential of its base then drops below that of its emitter.
Because of the resistor 82 connected between the connection point P and the negative line 16, a constant voltage drop of 0.3 V arises at the rectifiers 48, 52 and the non-linear current conductor 44. This value is determined by the threshold or lock voltage of the germanium used in the current conductor 44 determined and is sufficient to make the power transistor 35 fully conductive.
The more the second power transistor 35 conducts current, the smaller the voltage that arises between its emitter and collector and, consequently, the greater the emitter base voltage of the first power transistor 36. This also controls this into its saturation area and allows the Field winding 14 of the generator flowing excitation current JE to considerable values
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increases. However, as the field strength increases, the generator output voltage UG also begins to rise again. The power transistors 35 and 36 remain conductive until the voltage U generated by the generator 10 has reached the nominal value of 110 V again.
Then the game described can begin again. G
In connection with the voltage regulation just described, a current regulation process becomes effective when the load current JL of the generator 10 flowing over the positive line exceeds a predetermined maximum value. To maintain the load current L, namely, an alternating current must be fed from the connection point of the alternating current windings 11 and 13 of the generator 10 via the primary winding 23 of the current transformer to the rectifier 20, which has a voltage in the two secondary windings 25 and 26 of the current transformer generated, which charges the capacitor 32 to a charging voltage Uc which increases approximately linearly with increasing load current 11.
As long as this voltage is below a value of 16 V, it has no influence on the triggering of blocking oscillation processes in the control transistor 41, since in this case the rectifier 60 is blocked. If, on the other hand, the load current JL approaches its maximum value, the voltage Uc assumes a value of approximately 16 V, which leads to the rectifier 60 becoming conductive, even if the voltage Us tapped at the wiper 61 of the potentiometer 62 and with this the output voltage of the generator Ua does not reach this value.
In this case, the Zener diode 43 also conducts current and, almost independently of the level of the terminal voltage of the generator present in the control transistor 41, generates one of the previously described blocking oscillations, by which each of the power transistors is temporarily blocked.
The main idea of the invention aimed at reducing the power losses occurring at the power transistors 35 and 36 is particularly clear from the exemplary embodiments described below.
FIG. 2 shows a simplified circuit diagram of an exemplary embodiment modified in relation to FIG. 1 in sections. To the extent that the individual circuit elements correspond to those of the example according to FIG. 1, they are provided with the same reference numerals as in FIG. The direct current resistance R of the excitation winding is indicated at 40.
In contrast to the exemplary embodiment according to A semiconductor diode D is provided between the emitter of the transistor 36, which has its collector electrode connected to the excitation winding, and its base, which is connected to the junction of the two voltage divider resistors 37 and 38. In addition, a resistor 70 leads from the emitter of this transistor to the negative line 16. This has the task of ensuring, in conjunction with the semiconductor diode, your complete blocking of the transistor 36 when the control voltage between the base and the emitter of the transistor 35, indicated at Ub, is applied Value 0 decreases.
At this value of the control voltage Ub, a quiescent collector current Jco of the transistor 35 occurs, which generates a voltage drop of about 55 V across the resistor 70 when the ratio of the resistors 37 and 38 is 1: 1. If, on the other hand, the control voltage
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the transistor 35 is highly conductive. The collector current of the transistor 35 which then flows is divided into a partial current 11 flowing through the resistor 70 and a partial current J2 flowing through the transistor 36. This branches out in transistor 36 into a base current Jb flowing via the base electrode of transistor 35 and a collector current flowing via direct current resistor 40 of the excitation winding.
The base current Jb has the consequence that, at the same time as the transistor 35, the transistor 36 also becomes highly conductive. When the control voltage U, disappears, the voltage division at the resistors 3'7 and 3 8 causes the potential at the base of the transistor 36 to be held at a value which is 55 V above the potential of the negative line 16.
In the event that the transistor 36, which is directly connected to the excitation winding, is not yet completely blocked and a voltage significantly below 55 V has been established between the emitter of the transistor 36 and the negative lead 16, the diode provides a via the resistor 37, the diode D and the resistor 70, which are not indicated in FIG. 2, enter a cross-current through which the desired voltage division in 55 V each is automatically set. In order to reliably avoid switching delays which could arise due to so-called electron congestion in transistor 36, a capacitor C, indicated by broken lines in FIG. 2, can be connected in parallel to resistor 38.
In the third exemplary embodiment according to FIG. 3, the emitter-collector paths of three transistors Tr Tr and T are arranged in series between the negative line 16 and the positive line 18 with the direct current resistor 40 of the excitation winding of the generator. While the control voltage Ub is effective at the base of the transistor Trs, the base of the transistor Tr2 is at the junction of two voltage
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Resistors R and R i acting as voltage dividers, of which the resistor Rj is connected to the positive line 18. The resistance value of the resistor R is twice as large as the resistance value of the resistor R.
In contrast to this, the base of the transistor Tr1 is at the connection point of two resistors
Ral and Rbl, of which the resistance Rbi connected to the positive line has a value twice as large as the resistance Ra connected to the negative line. has, while the resistance Rat is the same as the resistance Raz belonging to the voltage divider of the transistor Tr2.
If one uses any number of transistors denoted by n with their emitter-collector-
Route switches in series in such a way that the transistor T connected to the excitation winding, from the
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this again from a transistor trader, each of the resistors Rai leading from the base of a transistor Tri to the negative line, specify the following measurement rule:
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if R denotes the direct current resistance of the excitation winding and a denotes the current amplification factor of the respective transistor indicated by the index i.
In this case, for example
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If one wants to achieve that the respective collector currents change linearly with the control voltage Ub at the nth transistor, the factor k given in the formula (1) is between 0.9 and 1.t, preferably equal to 1. selected, while devices in which the transistors, as in the exemplary embodiments described, should either be fully conductive or as largely blocked as possible.
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5 PATENT CLAIMS:
1. Lighting system for vehicles, especially motor vehicles, with a generator and an automatic control device for the generator that is connected to the generator voltage to be regulated and that contains at least two power transistors with their emitter-collector paths in series with the exciter winding of the generator and one of which is temporarily and periodically brought from its conductive to its non-conductive state by a control transistor as soon as the voltage of the generator exceeds its setpoint value, characterized in that in parallel with the series connection of the excitation winding and the emitter collector paths of the transistors one of at least two resistors (37, 38) existing voltage divider is arranged,
in which the connection point of two resistors is at the base of the first transistor (36) connected to the excitation winding and the resistances have a ratio to one another which corresponds to the ratio of the permissible collector voltages of the transistors.