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Regeleinrichtung für Generatoren niedriger Spannung, insbesondere Fahrzeuglichtmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für mit stark wechselnden Drehzahlen antreib- bare Generatoren niederer Spannung, insbesondere Fahrzeuglichtmaschinen mit einem in den Erreger- stromkreis 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, bei Eri reichen der Sollspannung in seine Schliessstellung gelangendes Arbeitskontaktpaar eines elektromagneti- schen Relais gesteuert wird, dessen Erregerspule zwischen der Basis des Transistors und einer der Ausgangs- leitungen des Generators angeordnet ist.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, jedoch noch nicht Stand der Technik, der Erregerspule des elek- tromagnetischen Relais einen Widerstand vorzuschalten und diesen Vorwiderstand so zwischen der Basis des Transistors und einer der Ausgangsleitungen des Generators anzuordnen, dass der bei offenem Kontakt- paar fliessende Emitter-Basis-Strom des Transistors über den Vorwiderstand geht. Die auf diese Weise er- reichbare Rückführung bewirkt zwar, dass der Einfluss der Maschinengrösse auf die Frequenz des Kontakt- spiels in der gewünschten Weise weitgehend ausgeschaltet wird, erfordert jedoch zwischen der Basis des
Transistors und dem Verbindungspunkt von Vorwiderstand und Erregerspule des Relais einen Basis-Wider- stand, der eine erhebliche Wärmeentwicklung ergibt und daher die Regeleinrichtung beeinflusst.
Dieser
Nachteil ist bei einer Regeleinrichtung der eingangs erwähnten Art vermieden, bei der gemäss der Erfin- dung vom Kollektor des mit seinem Emitter an eine der beiden Ausgangsleitungen des Generators ange- schlossenen Transistors zum Wicklungsanfang der mit ihrem Wicklungsende an die andere Ausgangsleitung des Generators angeschlossenen Erregerspule des Relais ein Rückführungswiderstand vorgesehen ist, der bei stromleitendem Transistor von einem Teil des in der Erregerspule wirksamen Stromes durchflossen wird und beim Stromloswerden des Transistors mindestens einen Teil der an der Feldwicklung des Generators entstehenden induktiven Gegenspannung der Erregerspule des Relais zuführt.
Zweckmässigerweise wird der
Widerstand mindestens fünfmal, höchstens fünfzigmal so gross bemessen, wie der einerseits mit der Basis des Transistors und einem der Arbeitskontakte, anderseits mit dem Wicklungsanfang der Erregerspule und dem Rückführungswiderstand verbundene Vorwiderstand der Erregerspule des Relais.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels dargelegt.
Es zeigt : Fig. 1 eine Fahrzeuglichtanlage mit einem Generator, einem Regler und einer Pufferbatterie in raumbildlicher Darstellung, Fig. 2 einen Regler in seinem elektrischen Schaltbild.
In der Lichtanlage nach Fig. 1 wird die mit 10 angedeutete Lichtmaschine über zwei Keilriemenschei- ben 11 und 12 und einen Keilriemen 13 durch eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeuges mit Drehzahlen angetrieben, die je nach der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem jeweili- gen Gang stark wechseln können. Im Lichtmaschinengehäuse 10 ist ausser einer in Fig. 2 bei 15 angedeu- teten Feldwicklung ein Gleichstromanker 16 untergebracht, der zusammen mit der Riemenscheibe 12 auf der Ankerwelle 17 sitzt. Die in den nicht dargestellten Ankerwicklungen induzierten Spannungen werden an einem ebenfalls nicht dargestellten Kommutator durch eine Minusbürste 18 und eine Plusbürste 19 ab- genommen.
Damit die Ausgangsspannung der Lichtmaschine im gesamten Drehzahl- und Belastungsbereich auf einem möglichst gleichbleibenden Wert gehalten werden kann, ist der in Fig. 1 bei 20 angedeutete Regler vorgesehen, der über vier Leitungen 21, 22. 23 und 24 und einenStecker 25 mit einer Steckermuffe 27 ver-
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bunden ist, die auf dem Lichtmaschinengehäuse sitzt und vier in Fig. 2 mit 31, 32, 33 und 34 bezeichnete Anschlussbuchsen enthält.
Der Laststrom der Lichtmaschine wird durch zwei durch das Lichtmaschinengehäuse isoliert hindurchgeführte Schraubenbolzen 36 und 37 einer Pufferbatterie 40 zugeführt, deren Mnus- klemme 41 mit der Masse verbunden ist, während ihre Plusklemme 42 unter Umgehung des Reglers mit der Leitung 43 unmittelbar an den als Anschlussklemme dienenden Schraubenbolzen 36 der Lichtmaschine angeschlossen ist. Zwischen diesem Schraubenbolzen 36 und der Plusbürste 19 ist ein niederohmiger Widerstand 44 von etwa 0, 025 Ohm und ein als Rückstromsperre dienender Gleichrichter 45 vorgesehen. Von der Plusbürste zweigt zur Steckerbuchse 31 eine Leitung 46, vom Verbindungspunkt zwischen Widerstand 44 und Gleichrichter 45 eine zur Steckerbuchse 32 führende Leitung 47 ab.
Das Wicklungsende der mit ihrem Wicklungsanfang an die Minusbürste 18 angeschlossenen Feldwicklung der Lichtmaschine ist an die Steckerbuchse 33 angeschlossen und steht mit der Minusklemme 37 der Lichtmaschine und der Steckerbuchse 34 über eine Germaniumdiode 48 in Verbindung, die in ihrer Sperr-Richtung beansprucht wird, solange der Feldwicklung über den zum Regler 20 gehörenden Leistungstransistor 50 der bei Je angedeutete Erregerstrom zugeführt wird, jedoch den bei Ja angedeuteten induktiven Ausgleichsstrom zu übernehmen vermag, wenn der Erregerstrom Je zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung durch die im folgenden näher beschriebene Regeleinrichtung 20 periodisch unterbrochen wird.
Die Regeleinrichtung enthält ausser dem erwähnten Leistungstransistor 50 ein zu'dessen Steuerung dienendes elektromagnetisches Relais, das einen in der angedeuteten Pfeilrichtung unter Federdruck stehenden Schaltarm 51 und einen zugehörigen Arbeitskontakt 52 enthält. Mit diesem Arbeitskontaktpaar wird der Transistor 50 gesperrt, sobald die Ausgangsspannung der Lichtmaschine den vorgeschriebenen Sollwert von 14 V zu übersteigen droht. Dazu enthält das Relais ausserdem eine Spannungsspule 53. Auf dem gleichen, in der Zeichnung nicht dargestellten Eisenkern des Relais sitzt ferner eine Stromspule 55, die über einen hochlegierten, nur in der Durchlassrichtung beanspruchten Germaniumhalbleiter 56 zum Widerstand 44 parallelgeschaltet ist.
Der Schaltarm 51 ist unmittelbar an den Emitter des Transistors 50 angeschlossen, sein Gegenkontakt 52 ist mit der Basis des Transistors über einen in der Zeichnung mit unterbrochenen Linien angedeuteten Widerstand 57 von etwa 5 Ohm verbunden. Ausserdem ist an den Kontakt 52 ein Widerstand 58 von etwa 50 Ohm angeschlossen, der als Vorwiderstand für die mit ihrem Wicklungsende an der Minusklemme 37 liegende Spannungsspule 53 des Relais dient.
Erfindungsgemäss führt vom Kollektor des Transistors 50 zu dem Verbindungspunkt des Vorwiderstandes 52 und der Erregerspule 53 ein Rückführungswiderstand 60 von etwa 1000 Ohm, der in der unten näher beschriebenen Weise einen Teil des über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors fliessenden Stromes der Erregerspule 53 zuführt, solange der Transistor leitend ist und den Erregerstrom Je liefert, dagegen beim Sperren des Transistors 50 einen Teil der dann an der Feldwicklung 15 entstehenden, der. Ausgleichsstrom Ja hervorrufenden Gegenspannung an der Erregerspule 53 wirksam macht.
Sobald die Lichtmaschine aus dem Stillstand heraus mit genügend hoher Drehzahl angetrieben wird, erregt sie sich über den dann stromleitenden Leistungstransistor 50 selbst und steigt rasch auf ihren Sollwert von 14 V an. Bei diesem Wert der Ausgangsspannung der Lichtmaschine erreicht der über den BasisWiderstand 57 und den Vorwiderstand 52 fliessende Basis-Strom Jb des Transistors einen solch grossen Wert, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld den Schaltarm 51 gegen die Kraft der nicht dargestellten Rückführfeder mit dem an die Basis des Transistors 50 angeschlossenen Arbeitskontakt 52 in Verbindung bringt und dabei die Emitter-Basis-Strecke des Transistors kurzschliesst.
Dadurch wird der seither der Feldwicklung 15 zufliessende Erregerstrom Je unterbrochen und die Ausgangsspannung der Lichtmaschine beginnt mit einer durch die Grösse der Lichtmaschine festgelegten Zeitkonstanten abzusinken. Der Transistor 50 wird erneut wieder stromleitend, sobald das Magnetfeld im Relais den Schaltarm 51 nicht mehr in seiner Schliessstellung zu halten vermag.
Damit dieser neue Schaltzustand möglichst bald wieder eintreten kann, ohne dass die Ausgangsspannung der Lichtmaschine erheblich unter ihren Sollwert abzusinken braucht, ist der Rückführungswiderstand 60 vorgesehen. Sobald nämlich der Transistor 50 in seinen Sperrzustand gelangt und der seither der Feldwicklung 15 zufliessende Erregerstrom Je verschwindet, entsteht an der Feldwicklung eine induktive Gegen-
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Ausgleichsstrom Ja hervorruft,konstanten abklingt. Während dieses Ausgleichsvorganges liegt die mit dem Kollektor des Transistors 50 und dem Widerstand 60 verbundene Steckerbuchse 33 an einem Potential, das wegen des Ausgleichsstromes Ja um etwa 0, 3 - 0, 5 V niedriger ist als das Potential der Minusklemme 37.
Dadurch wird ein Teil des jetzt über die geschlossenen Kontakte 51, 52 der Erregerspule 53 zufliessenden Stromes über den Widerstand 60 abgezweigt und der Klemme 33 zugeführt, so dass sich die magnetische Erregung im Relais
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nicht nur nicht erhöht, sondern sogar geringfügig erniedrigt wird. Diese Erniedrigung hat zur Folge, dass der Schaltarm 51 bereits wieder in seine Offenstellung gelangen und dabei den Transistor 50 erneut stromleitend machen kann, sobald die Ausgangsspannung infolge der fehlenden Erregung abzusinken beginnt.
Auf diese Weise wird ein sehr rasches, von der jeweiligen Grösse der mit der Regeleinrichtung zusammenarbeitenden Lichtmaschine weitgehend unabhängiges Kontaktspiel erreicht, dass ausser einer wesentlich genaueren und stabileren Regelung den Vorteil mit sich bringt, dass mit ein und derselben Reglertype Lichtmaschinen stark unterschiedlicher Leistungsgrössen geregelt werden können.
Zweckmässigerweise wird der Wert des Rückführungswiderstandes 60 mindestens fünfmal, höchstens fünfzigmal, vorzugsweise jedoch zwanzig- bis dreissigmal so gross gewählt wie der einerseits mit der Basis des Transistors und einem der A rbeits kontakte, anderseits mit dem Wicklungsanfang der Erregerspule und dem Rückführungswiderstand verbundene Vorwiderstand 52 der Erregerspule 53 des Relais.
Es empfiehlt sich, den Basiswiderstand 57 so gross zu machen, dass an den Schaltkontakten eine Schaltspannung von mindestens 0,8 V, vorzugsweise von 1 V entsteht.
Bei Verwendung von aus Germanium bestehenden Diodenstrecken im Transistor 50 und im Gleichrichter 48 erreicht die an diesen Diodenstrecken betriebsmässig in deren Durchlassrichtung auftretende Spannung im allgemeinen nicht mehr als etwa 0,5 V, bei aus Silizium bestehenden Diodenstrecken etwa 0, 8 V. Wenn man diese Werte mit Uo bezeichnet, soll der Wert Rk des Rückführungswiderstandes 60 in bezug auf den Wert Rv des Vorwiderstandes 52 und den Sollwert U. der Lichtmaschinenausgangsspannung zwischen den Buchsen 32 und 34 so gewählt werden, dass er folgender Beziehung genügt :
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wobei c = 0, 90 - 0, 98 betragen kann.
Die Stromspule 55 des Relais hat lediglich die Aufgabe, die Spannung der Lichtmaschine dann stark herabzusetzen, wenn der über die Leitung 43 der Batterie und der an diese angeschlossenen, in der Zeichnung nicht dargestellten Verbrauchern zufliessende Laststrom einen vorgegebenen Höchstwert zu überschreiten droht, und schützt daher die Lichtmaschine vor Überlastung. Der am Widerstand 44 vom Laststrom erzeugte Spannungsabfall ruft nämlich einen über die Leitung 46 und den Halbleiter 56 gehenden Steuerstrom J hervor, sobald dieser Spannungsabfall den bei etwa 0, 3 V liegenden Schwellspannungswert des Halbleiters 56 überschreitet.
Durch den Steuerstrom wird nämlich in der Stromspule 55 ein zusätzliches, die magnetische Erregung des Relais vergrösserndes Magnetfeld erzeugt, durch welches der Schaltarm 51 auch dann noch zur Sperrung des Transistors 50 in seiner Schliessstellung gehalten werden kann, wenn der Sollwert der Ausgangsspannung unterschritten ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeleinrichtung für mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare Generatoren niederer Spannung, insbesondere Fahrzeuglichtmaschinen, mit einem in den Erregerstromkreis 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, bei Erreichen der Sollspannung in seine Schliessstellung gelangendes Arbeitskontaktpaar eines elektromagnetischen Relais gesteuert wird, dessen Erregerspule in Reihe mit einem Vorwiderstand so zwischen der Basis des Transistors und einer der Ausgangsleitungen des Generators angeordnet ist, dass der bei offenem Kontaktpaar fliessende Emitter-Basis-Strom des Transistors über den Vorwiderstand geht, dadurch gekennzeichnet,
dass vom Kollektor des mit seinem Emitter an eine der beiden Ausgangsleitungen des Generators angeschlossenen Transistors (50) zum Wicklungsanfang der mit ihrem Wicklungsende an die andere Ausgangsleitung des Generators angeschlossenen Erregerspule (53) des Relais ein Rückführungswiderstand (60) vorgesehen ist.