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Regeleinrichtung für Stromerzeuger niedriger Spannung, insbesondere für Lichtmaschine von Kraftfahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für mit stark wechselnden Drehzahlen antreib- bare Generatoren niedriger Spannung, insbesondere für Fahrzeuglichtmaschinen, mit einem in den Erre- gerstromkreis des Generators eingeschalteten Transistor, der mit seinem Kollektor an die Feldwicklung des
Generators angeschlossen ist und durch ein parallel zu seiner Emitter-Basis-Strecke liegendes Arbeitskon- taktpaar eines elektromagnetischen Relais gesteuert wird, dessen Erregerspule an die zu regelnde Ausgangs- spannung des Generators angeschlossen ist und das Arbeitskontaktpaar unter Sperrung des Transistors in sei- ne Schliessstellung bringt, sobald die Ausgangsspannung über ihren vorgesehenen Sollwert hinaus anzusteigen droht.
Bei bekannten Regeleinrichtungen dieser Art tritt ein verhältnismässig langsames Kontaktspiel auf, wenn die Regeleinrichtung mit Generatoren zusammenarbeitet, die verhältnismässig grosse Eisenmassen und demzufolge eine grosse Zeitkonstante haben. Dies ist besonders bei niedrigen Antriebsdrehzahlen unerwünscht, weil dann bei eingeschalteter Fahrzeugbeleuchtung trotz einer etwa parallelgeschalteten Pufferbatterie eine flackernde Beleuchtung unvermeidbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine von der Leistungsgrösse des zu regelnden Generators weitgehend unabhängige Regeleinrichtung zu schaffen, die ein rasches Kontaktspiel und demzufolge eine hohe Regelgenauigkeit und hohe Stabilität hat.
Dies ist bei einer Regeleinrichtung der eingangs erwähnten Art möglich, wenn gemäss der Erfindung der bei stromleitendem Transistor und offenem Kontaktpaar des Relais fliessende Emitter-Basis-Strom des Transistors über einen Vorwiderstand geführt ist, der mit der Erregerspule des Relais in Reihe geschaltet und mit dieser zusammen an die zu regelnde Spannung angeschlossen ist.
Eine besonders wirkungsvolle Anordnung ergibt sich, wenn an einen zwischen dem Vorwiderstand und der Erregerspule liegenden Verbindungspunkt ein Widerstand angeschlossen ist, der zur Basis des Transistors führt. Bei Verwendung des Regeleinrichtung auf Kraftfahrzeugen ist es ausserdem erwünscht, eine Ladekontroll-Lampe vorzusehen, die dann erlischt, wenn die Ausgangsspannung des Generators die jeweilige Höhe der an den Generator angeschlossenen Pufferbatterie erreicht und demzufolge der Generator einen die Batterie aufladenden Strom zu liefern vermag.
Hierzu empfiehlt es sich, bei einer Regeleinrichtung nach der Erfindung das elektromagnetische Relais ausser mit einem feststehenden, mit einem beweglichen Schaltarm zusammenarbeitenden Arbeitskontakt noch mit einem Ruhekontakt zu versehen, der ebenfalls mit dem beweglichen Schaltarm zusammenarbeitet und an eine der beiden Zuleitungen der LadekontrollLampe angeschlossen ist, während die andere Zuleitung zur Ladekontroll-Lampe mit der gleichen Ausgangsklemme des Generators verbunden ist, an der der Vorwiderstand des Relais liegt.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine Kraftfahrzeuglichtanlage mit einem Drehstromgene- rator und einer Regeleinrichtung dargestellt. Es zeigt : Fig. l das elektrische Schaltschema der Lichtanlage, Fig. 2 ein Schaubild des Regelvorgangs, Fig. 3 die Stromspannungskennlinie'eines in der Regeleinrichtung der Lichtanlage nach Fig. 1 verwendeten nichtlinearen Stromleiters und Fig. 4 ein Schaubild, aus dem die Abhängigkeit der eingeregelten Spannung in Abhängigkeit vom Laststrom des Generators dargestellt ist.
Die zum Betrieb auf einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug bestimmte Lichtanlage enthält einen Dreiphasendrehstromgenerator 10, der drei feststehende Wicklungen 11, 12, 13 sowie eine umlaufende, auf dem nicht dargestellten Anker sitzende Erregerwicklung 15 hat. Jede der Wicklungen 11, 12 und 13 ist an eines von drei Gleichrichterpaaren 16 angeschlossen. Von den Gleichrichtern führt eine gemeinsame
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Plusleitung 18 über einen niederohmigen Widerstand 19 zum Pluspol einer Batterie 20.
In der vom Pluspol der Batterie zu der im folgenden näher beschriebenen Regeleinrichtung der Lichtanlage führenden Leitung 22 ist ein Schalter 23 angeordnet, über den sowohl die Regeleinrichtung als auch die zum Betrieb des Kraftfahrzeugs erforderlichen, bei 25 angedeuteten Verbraucher, beispielsweise eine Zündanlage, Signaleinrichtungen u. dgl. mit Strom versorgt werden können.
Die Regeleinrichtung enthält im einzelnen einen Leistungstransistor30 vom p-n-p-Typ, der mit seinem Emitter an eine mit der Zuleitung 22 verbundene Plusleitung 31 angeschlossen ist. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors liegt in Reihe mit der Erregerwicklung 15 des Drehstromgenerators 10, die mit einem ihrer beiden Wicklungsenden an Masse angeschlossen ist. Mit dem einen Kollektor des Transistors 30 ist ausserdem eine Silizium-Diode 32 verbunden, deren Zuleitungselektrode mit einer ebenfalls an Masse anschliessbaren Klemme 33 der Regeleinrichtung verbunden ist. Die Diode dient dazu, den Transistor vor Überspannungen zu schützen, wenn er während des weiter unten näher beschriebenen Regelvorgangs jeweils kurzzeitig aus seinem stromleitenden Zustand in den Sperrzustand gebracht wird.
Erfindungsgemäss ist zur Emitter-Basis-Strecke des Transistors ein Arbeitskontaktpaar eines elektromagnetischen Relais angeschlossen, dessen Erregerspule 35 von einem zur jeweiligen Höhe der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Drehstromgenerators 10 proportionalen Strom J.. durchflossen wird. Das Arbeitskontaktpaar dieses Relais wird von einem mit dem nicht dargestellten Anker des Relais gekuppelten Schaltarm 36 und einem diesem gegenüberstehenden Kontakt 37 gebildet. Während der Schaltarm 36 mit der Leitung 31 verbunden ist, steht der Kontakt 37 mit der Basis des Transistors 30 in Verbindung. Von dort führt ein Widerstand 38 zum Schleifer 39 eines Potentiometers 40, das mit seinem einen Ende an die Spannungsspule 35 des Relais und mit seinem andern Ende an die Masseklemme 33 angeschlossen ist.
Der Schaltarm 36 arbeitet ausserdem mit einem Ruhekontakt 42 zusammen. Der gegenseitige Abstand der Relaiskontakte 42 und 37 sowie der Abstand des nicht dargestellten, mit dem Schaltarm 36 gekuppelten Relaisankers von dem ebenfalls nicht dargestellten Eisenkern des Relais ist zusammen mit einer ebenfalls nicht dargestellten Rückstellfeder für den Relaisanker so gewählt, dass der Schaltarm zwar den Kontakt 42 verlässt, wenn die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators die bei Belastung der Batterie 20 sich einstellende Batteriespannung von etwa 12,6 V überschreitet, jedoch nicht gegen den Arbeitskontakt 37 schnappt, sondern in einer zwischen beiden Kontakten verbleibenden Mittelstellung gehalten wird, solange die Ausgangsspannung des Generators unterhalb des einzuregelnden Sollwertes von etwa 14 V bleibt.
Der Ruhekontakt 42 ist über eine Leitung 43 an eine Kontrollampe 45 angeschlossen, die dann aufleuchten soll, wenn der Fahrbetriebschalter 23 geschlossen wird, die Ausgangsspannung des Generators jedoch noch unter dem von dem jeweiligen Ladezustand abhängigen Wert der Batteriespannung liegt. Die Kontrollampe 45 soll jedoch erlöschen, wenn über die von den Gleichrichtern 16 zur Batterie 20 führende
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tung vorgesehen, die eine starke Herabsetzung der Ausgangsspannung des Generators bewirkt, wenn der über die Leitung 18 und den Widerstand 19 fliessende Laststrom J. einen vorgegebenen Höchstwert zu überschreiten droht.
Diese Strombegrenzungseinrichtung umfasst eine mit der Spannungsspule 35 im gleichen Sinne auf den Schaltarm 36 einwirkende Stromspule 47, die zusammen mit einemGermaniumhalbleiter 48 in einen zum Widerstand 19 parallel verlaufenden Stromkreis eingeschaltet ist.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Regeleinrichtung lässt sich am besten übersehen, wenn man davon ausgeht, dass der zunächst stillstehende Generator 10 vom nicht dargestellten Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs in Umdrehung versetzt wird. Da zum Betrieb des Antriebsmotors der Schalter 23 eingelegt werden muss, kann über den Schalter, die Leitungen 22 und 31 sowie über den in-diesem Falle stromleitenden Transistor 30 der Erregerwicklung 15 des Generators ein starker Erregerstrom Je zugeführt werden, der einen raschen Aufbau eines mit dem Anker im Generator umlaufenden Gleichstromfeldes bewirkt. Dann werden in den Wechselstromwicklungen 11, 12 und 13 Spannungen erzeugt, die umso rascher ansteigen, je höher die Antriebsdrehzahl des Generators ist.
In Fig. 2 ist der zeitliche Anstieg der gleichgerichteten, zwischen der Leitung 18 und Masse auftretenden Ausgangsspannung JA des Generators 10 dargestellt. Solange diese Spannung noch unterhalb des in Fig. 2 bei 12, 6 V eingezeichneten Wertes der Batteriespannung UB bleibt, vermag der über die Spannungsspule 35 des Relais fliessende Strom J den Schaltarm 36 noch nicht von seinem Ruhekontakt 42 abzuheben. Die Kontrollampe 45 wird in diesem Falle über den Schaltarm 36 und den Ruhekontakt 42 mit Strom aus der Batterie 20 versorgt. Wenn jedoch die Generatorspannung U A im Zeitpunkt t1 (Fig. 2) über die Batteriespannung UB hinaus ansteigt, so wird der Schaltarm 36 vom Ruhekontakt 42 abgehoben und die Kontrollampe erlischt.
Der Transistor 30 bleibt jedoch auch jetzt noch stromleitend und wird erst dann gesperrt, wenn die Generatorspannung U A im Zeitpunkt t2 ihren Sollwert US
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erreicht. Dann wird nämlich der Schaltarm 36 gegen seinen Arbeitskontakt 37 gelegt und schliesst die
Emitter-Basis-Strecke des Transistors kurz, so dass dieser nicht mehr stromleitend bleiben kann. Der seit- her über den Transistor 30 gehende Strom J-fällt daher sehr steil auf einen nahe bei Null liegenden Wert ab, während sich über die Gleichrichterdiode 32 ein Ausgleichstrom ausbildet, der von dem in Abbau be- findlichen Magnetfeld der Erregerwicklung 15 herrührt. Mit dem Magnetfeld der Erregerwicklung sinkt je- doch auch die Ausgangsspannung des Generators ab.
Durch die gewählte Verwendung der Relaiskontakte als Arbeitskontakte wird sichergestellt, dass bereits bei einem geringen Absinken der Generatorspannung der Schaltarm 36 den Arbeitskontakt 35 wieder verlassen und den Transistor in seinen ursprünglichen strom- leitenden Zustand zurückfahren kann. Der dann erneut einsetzende Transistorstrom JT bringt das Magnet- feld rasch wieder auf seine alte Höhe, so dass das beschriebene Spiel von neuem beginnen kann, ohne dass der Schaltarm den Ruhekontakt 42 wieder erreicht.
Da in stromleitendem Zustand das Potential der Basis des Transistors 30 nur um etwa 0, 3 bis 0, 5 V unterhalb des Potentials der Emitterelektrode liegt, wird die beim Spiel der Arbeitskontakte 36, 37 entstehende Schaltleistung sehr niedrig gehalten, zumal der an der Basis liegende, den Emitter-Basis-Strom bestimmende Widerstand 38 verhältnismässig gross gewählt werden kann. Darüberhinaus wird durch den Ruhekontakt 42 eine zuverlässige Steuerung der Kontrollampe 45 erzielt, ohne dass hiefür ein sonst übliches getrenntes Relais erforderlich ist.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass die Regelfrequenz. die durch das Schaltspiel der Arbeitskontakte 36 und 37 bestimmt wird, nicht ausschliesslich von der Geschwindigkeit des Auf- und Abbaues des Magnetfeldes im Generator festgelegt wird. Sobald nämlich der Schaltarm 36 am Arbeitskontakt 37 zur Anlage kommt, vermag über diese Kontakte ein Strom zu fliessen, der geringfügig höher als der bei stromleitendem Zustand des Transistors über dessen Emitter-Basis-Strecke und den Widerstand 38 fliessende Basisstrom ist.
Diese geringfügige Erhöhung bewirkt an dem zwischen der Masseklemme 33 und dem Schleifer 39 liegenden Teil des Potentiometers 40 einen Spannungsabfall, der zur Folge hat, dass der über die Spannungswicklung 35 fliessende Strom J 1 geringfügig zurückgeht. Sobald das von der Spannungsspule 3- erzeugte Magnetfeld dieser Änderung gefolgt ist, hebt der Schaltarm 36 bereits wieder vom Arbeitskontakt 37 ab. Diese Zitterkontaktwirkung ergibt eine hohe Genauigkeit der Regelung und darüberhinaus den Vorteil, dass die Regeleinrichtung für Generatoren verschiedener Grösse verwendbar ist. Ausserdem ermöglicht der verstellbare Abgriff 39 des Potentiometers eine leichte Anpassung der Regelfrequenz an die verschiedenen Generatorgrössen.
Die aus dem Widerstand 19, der Stromspule 47 und dem Germaniumhalbleiter 48 bestehende Strombegrenzungseinrichtung hat die Aufgabe, den oben beschriebenen Spannungsregelungsvorgang dann ausser Wirkung zu setzen, sobald an die Leitung 22 Stromverbraucher 25 angeschlossen werden, die so niederohmig sind, dass sich bei einer unveränd7rt hoch bleibenden Ausgangsspannung U A des Generators einLast- strom JL einstellen würde, der zu einer Überlastung des Generators führen würde. Der Laststrom JL erzeugt nämlich am Widerstand 19 eine Spannung UD, die dann einen rasch ansteigenden, über die Stromwicklung 47 gehenden Steuerstrom J auslöst, wenn sie einen Wert von etwa 0, 25 V überschreitet.
Das in Fig. 3 dargestellte Schaubild gibt die Kennlinie des Halbleitergleichrichters 48 wieder, die bei einem Wert der zwischen den Elektroden des Halbleiters wirksamen Spannung UD von 0, 25 V einen stark ausgeprägten Knick hat. Germaniumhalbleiter dieser Art enthalten einen hohen Anteil an Kupferatomen in ihrer in ein n-Germanium-Scheibchen einlegierten, durch Zusatz von Indium erzeugten Legierungszone und eignen sich für diesen Zweck besonders gut, da sie nicht nur einen sehr scharfen Knick in ihrer Stromspannungskennlinie haben, sondern auch diesen Knick bereits bei sehr niedrigenwerten einer an ihren Anschlusselektroden wirksamen Spannung UD erreichen.
Das in Fig. 4 wiedergegebene Schaubild gilt für eine mit einer 12 V-Batterie zusammenarbeitende Gleichstromlichtmaschine von 400 W. Die Leistungshyperbel für 400 W ist durch die unterbrochene Linie 50 angedeutet. Aus der dargestellten Regelkennlinie ist zu ersehen, dass bei einem Laststrom, der über 27 A hinausgeht. die eingeregelte Spannung U des Generators stark abzufallen beginnt. Dieser scharfe Knick in der Regelkennlinie ist deswegen erwünscht, damit die im Generator enthaltenen Leistungsreserven gut ausgenützt werden können.
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