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Lichtanlage mit Transistorregler für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtanlage für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge,
mit einem im Nebenschluß erregten Generator, einer an diesen anschließbaren Sammlerbatterie
sowie einer selbsttätigen Regeleinrichtung für den Generator, die mindestens einen
Leistungstransistor enthält, der mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit
der Feldwicklung des Generators an die zu regelnde Spannung angeschlossen ist und
von einem Steuertransistor kurzzeitig und periodisch aus dem leitenden in den nichtleitenden
Zustand gebracht wird, wobei zwischen dem Steuertransistor und dem Leistungstransistor
ein Transformator angeordnet ist, dessen Primärwicklung, mit der Emitter-Kollektor-Strecke
des Steuertransistors in Reihe geschaltet, an der zu regelnden Spannung liegt.
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Es sind bereits Lichtanlagen dieser Art vorgeschlagen worden. Bei
den für diese Lichtanlagen vorgesehenen Regeleinrichtungen sollen p-n-p-Leistungstransistoren
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 verbunden 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.
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Bei Leistungstransistoren, die zur Verwendung in Regeleinrichtungen
der eingangs beschriebenen Art bestimmt sind, erreichen die zur Aufrechterhaltung
der hohen Kollektorstromwerte erforderlichen Basisströme Werte in der Größe von
100 bis 500 mA. Zur Einstellung dieser Basisströme werden bei den bereits vorgeschlagenen
Regeleinrichtungen verhältnismäßig niederohmige Widerstände verwendet, die zwischen
der Minusleitung und der Basis des Leistungstransistors liegen. An die Basis des
Leistungstransistors ist bei diesen Regeleinrichtungen außerdem die Sekundärwicklung
eines Transformators angeschlossen, der dazu dient, die vom Steuertransformator
erzeugten Sperrschwingungen auf den Leistungstransistor zu übertragen. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß der Steuertransistor erhebliche Leistungen aufbringen muß, wenn
die Sekundärwicklung des Transformators parallel zur Basis-Kollektor-Strecke des
Leistungstransistors angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
bei der der Steuertransistor bei jedem seiner zur Sperrung des Leistungstransistors
dienenden Schwingungsimpulse nur eine geringe Leistung zu liefern braucht. Dies
läßt sich bei einer Anlage der eingangs beschriebenen Art erreichen, wenn gemäß
der Erfindung wenigstens eine Sekundärwicklung des Transformators in den Emitter-Basis-Kreis
des Leistungstransistors gelegt wird. Eine weitere Verbesserung läßt sich erzielen,
wenn die Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit ihrem einen Wicklungsende
an die Basis des Leistungstransistors angeschlossen und mit ihrem anderen Ende mit
dem Emitter des Leistungstransistors verbunden wird. Vorteilhafterweise wird der
Gleichrichter durch eine negative Vorspannung von etwa 0,3 V vorgespannt. Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen
beschrieben und erläutert. Es zeigt Fig. 1 das Schaltschema der Lichtanlage samt
Regeleinrichtung, Fit-,. 2 ein Schaubild für den Potentialverlauf an der Basis des
Leistungstransistors der Regeleinrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 ein vereinfachtes
Schaltbild der Regeleinrichtung nach Fig. 1 und Fig. 4 ein Schaubild zur Erklärung
der Wirkungsweise dieser Regeleinrichtung; Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild
einer bereits vorgeschlagenen Regeleinrichtung zum Vergleich.
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Die Lichtanlage enthält einen Drehstromgenerator 10 mit drei im Ständer
des Generators untergebrachten Wicklungen 11, 12 und 13 und einer auf dem umlaufenden
Anker sitzenden Erregerwicklung 14 sowie eine Batterie 15, deren Minuspol über eine
Leitung 16 und deren Pluspol über eine Leitung 18 mit einer Gleichrichteranordnung
20 verbunden ist, die aus sechs einzelnen Einweggleichrichtern
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 den Verbindungspunkt der
Wechselstromwicklungen 11 und 12, bzw. 12 und 13 des Generators 10 angeschlossen.
Zwischen dem Verbindungspunkt des dritten Gleichriehterpaares und dem Verbindungspunkt
der beiden Generatorwicklungen 11 und 13 ist die Primärwicklung23
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 Festwiderstand
27 von etwa 10 Ohm und einem veränderbaren Widerstand 28 von ebenfalls etwa 10 Ohm
bestehen. Von den Wicklungsenden der Sekundärwicklung führen 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 U, ist annähernd
proportional dem Belastungsstrom JL, der vom Generator 10 zu der Batterie 15 fließt,
sobald die Spannung US zwischen den Leitungen 16 und 18 größer wird als die dem
jeweiligen Betriebszustand entsprechende Spannung der Batterie 15.
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Die vom Generator 16 gelieferte Spannung U, wird auf einem gleichbleibenden
Wert von 28 V mit Hilfe einer Regeleinrichtung gehalten, die im folgenden beschrieben
ist.
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Die Regeleinrichtung enthält einen Leistungstransistor 40 und einen
zur Steuerung dieses Transistors dienenden zweiten Transistor 41, einen zwischen
beiden Transistoren angeordneten Transformator 42, eine in Sperrichtung beanspruchte
Zenerdiode 43 sowie einen in seiner Durchlaßrichtung betriebenen, nichtlinearen
Stromleiter 44, der im Durchlaßbereich von einer angelegten Spannung von etwa 0,3
V einen scharfen Knick in seiner Stromspannungskennlinie aufweist. Dieser Stromleiter
hat für die Arbeitsweise der Regeleinrichtung in verschiedener Hinsicht wesentliche
Aufgaben zu erfüllen und ist mit einer seiner beiden Elektroden an die Plusleitung
18, mit seiner anderen Elektrode an den Verbindungspunkt P der mit 45 und 46 bezeichneten
beiden Sekundärwicklungen des Transformators 42 angeschlossen. Die Wicklung 45 weist
nur zwanzig Windungen auf und ist mit ihrem freien Ende sowohl an einen Germaniumgleichrichter
48, der zur Basis des Transistors 40 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 hundertfünfzig
Windungen auf. Sie liegt mit ihrem einen Ende am Kollektor K des Steuertransistors
41 und mit ihrem anderen Wicklungsende an der Minusleitung 16. Das freie Wicklungsende
der Sekundärwicklung 46 ist über einen Gleichrichter 52 ebenfalls an die Basis B
des Leistungstransistors 40 geführt. Die Basis dieses Transistors liegt außerdem
über einen Widerstand 55 an der Minusleitung 16.
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Von der Basis des Leistungstransistors 40 zweigt ferner eine
Verbindungsleitung 56 ab, die zum Pluspol des Kondensators 32 der eingangs beschriebenen
Stromregeleinrichtung führt. An den Minuspol des Kondensators 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 18
verbunden, während das andere Ende über einen Widerstand
64 von etwa 150 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 txF 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.
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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 Mindestdrehzahl 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 den in diesem Falle stromleitenden Transistor 40 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 U8 zwischen den Leitungen 16 und 18 rasch einen
Wert, der höher liegt als die von dem jeweiligen Ladungszustand abhängige Spannung
der Batterie 15. In diesem Falle beginnt über den im Zuge der Plusleitung 18 liegenden
Rückstromgleichrichter 70 ein Strom JL in der angezeichneten Pfeilrichtung
zu fließen, 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 28 V überschreitet, wird die Spannung US am Schleifer
des Potentiometers 62 größer als 8 V, und die für diesen Wert bemessene Zenerdiode
43 vermag von der Basis B des Steuertransistors 41 einen zur Minusleitung
16 fließenden Steuerstrom f, zu führen. Dadurch wird der seither gesperrte Steuertransistor
41 stromleitend und erzeugt sowohl einen über die Wicklung 45 gehenden Ernitterstrom
Je als auch einen über die Wicklung 50 gehenden Kollektorstrom Jk. Diese beiden
Wicklungen sind so gepolt, daß sie eine Rückkopplungswirkung erzeugen. Bei geringfügiger
Zunahme des Kollektorstroms Jk entsteht im Sekundärwicklungsteil 45 eine Rückkopplungsspannung
Uä, durch welche die Emitter-Basis-Spannung vergrößert und demzufolge auch der über
die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 41 fließende Steuerstrom J, verstärkt
wird. Dieser bewirkt seinerseits wieder eine Vergrößerung des Kollektorstroms Jk.
Sobald jedoch der Kollektorstrom fk sich seinem durch die Rückkopplung und die Stromverstärkung
des Transistors 41 festgelegten und durch die Höhe der Batteriespannung bzw. der
Generatorspannung Ug begrenzten Höchstwert nähert, wird die in der Wicklung 45 induzierte,
den Transistor 41 in seinem voll Stromleitenden Zustand haltende Spannung UR an
der Sekundärwicklung 45 immer kleiner. Dies hat zur
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
UR, die bewirkt, daß der Transistor 41 in seinen ursprünglichen Sperrzustand zurückkehrt.
Nach dieser Sperrschwingung verbleibt der Steuertransistor41 in seinem Sperrzustand,
sofern durch den im folgenden beschriebenen Regelvorgang die am Schleifer 61 wirksame
Spannung US inzwischen unter die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 43 von 8 V abgesenkt
worden ist. Falls dies noch nicht erreicht wurde und die Generatorspannung U° immer
noch zu hoch ist, erzeugt der Steuertransistor 41 sofort wieder eine neue
Sperrschwingung.
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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 seinerseits und der Basis des Transistors 40 andererseits
liegenden Kondensator 80 zu einer solch starken positiven Spannung auf, das die
Basis des Leistungstransistors 40 wesentlich stärker positiv wird als der Emitter
E des Leistungstransistors 40. Der Leistungstransistor 40 wird daher mit
dem Einsetzen der vom Steuertransistor 41 hervorgerufenen Sperrschwingung sofort
gesperrt, und der seither über die Erregerwicklung 14 fließende FeldstromJE wird
stark verkleinert. Der zur Wicklung 14 parallel geschaltete Gleichrichter 81 hat
hierbei 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 bis 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 40 selbsttätig wieder stromleitend,
da dann die Emitter-Basis-Spannung des Transistors 40 nur noch durch das
Potential des- Punktes P bestimmt wird. Die zwischen P und dem nichtlinearen Stromleiter
44 entstehende Spannung U,, behält wegen des zwischen dem Verbindungspunkt P und
der Minusleitung 16 eingeschalteten Widerstandes 82 einen konstanten Wert von 0,3
V. Dieser Wert ist durch die Schwell-oder Schleusenspannung des im Stromleiter 44
verwendeten Germaniums bestimmt. Sobald der Leitungstransistor 40 wieder leitend
wird, beginnt die Generatorspannung U, wieder zu steigen. Der Transistor
40 bleibt so lange stromleitend, bis die vom Generator 10 erzeugte Spannung
Ue den Sollwert von 28 V wieder erreicht hat. Dann kann das beschriebene Spiel von
neuem beginnen.
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In Verbindung mit der eben beschriebenen Spannungsregelung wird ein
Stromregelungsvorgang dann wirksam, wenn der über die Plusleitung fließende Belastungsstrom
JL des Generators 10 einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet. Zur Aufrechterhaltung
des Belastungsstromes JL muß nämlich vom Verbindungspunkt der Wechselstromwicklung
Il und 13 des- Generators 10 über die Primärwicklung 23 des Stromtransformators
zum Gleichrichter 20 ein Wechselstrom geführt werden, der in den beiden Sekundätwicklungen
25 und 26 des Stromtransformators eine Spannung erzeugt, die den Kondensator 32
auf eine mit steigendem Laststrom JL annähernd linear anwachsende Ladespannung U,
auflädt. Solange diese Spannung unter einem Wert von 8- V liegt, hat sie auf die
Auslösung von Sperrschwingvorgängen im Steuertransistor 41 keinen Einfiuß,
da in diesem Falle der Gleichrichter 60 gesperrt ist. Wenn dagegen der Laststrom
JL sich seinem Höchstwert nähert, nimmt die Spannung U, einen Wert von annähernd
8 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 U,. 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 der Leistungstransistor
kurzzeitig gesperrt wird.
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Der auf eine Verringerung der Leistung des Steuertransistors abzielende
Hauptgedanke der Erfindung wird an dem im folgenden beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel
besonders deutlich.
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Fig. 3 stellt ein vereinfachtes Schaltbild dieses Ausführungsbeispiels
ausschnittsweise dar. Soweit die einzelnen Schaltelemente mit denienigen des Beispiels
nach Fig.1 übereinstimmen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1
versehen. -Zur Vereinfachung ist von dem zwischen dem Steuertransistor 41 und dem
Leistungstransistor 40 angeordneten Transformator lediglich die Primärwicklung
50 und die in Fig. 1 mit 45 bezeichnete Sekundärwicklung dargestellt. Die Sekundärwicklung
45 ist unmittelbar mit der Plusleitung 18 verbunden und liegt mit ihrem anderen
Wicklungsende über den Gleichrichter 48 an der Basis des Leistungstransistors
40. Damit dieser in seinem stromleitenden Zustand gehalten werden kann, bei dem
er einen Kollektorstrom Je von 3 A über die Feldwicklung des Generators zu
führen vermag, muß von dem Emitter E zur Basis B des Leistungstransistors ein mit
fb angedeuteter Basisstrom von 300 mA fließen, der über den Widerstand 55 geht.
Dieser Basisstrom setzt voraus, daß an dem aus Germanium hergestellten p-n-p-Leistungstransistor
40
zwischen dem Emitter und der Basis eine Emitter-Basis-Spannung Ueb von
etwa 0,5 V liegt.
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In Fig. 4 ist die Abhängigkeit des Basisstroms fb des Leistungstransistors
40 in einem Schaubild dargestellt. Daraus erkennt man, daß die Emitter-Basis-Spannung
an der wie eine Germaniumdiode wirkenden Emitter-Basis-Strecke einen etwa quadratisch
ansteigenden Basisstrom Jb zur Folge hat, der den Wert von 0,3 A erreicht, wenn
Ueb=0,5 V ist. Wenn der von der Sekundärwicklung 45 zur Basis B führende
Gleichrichter 48 die gleiche Kennlinie hätte, würde sich außerdem ein ebenfalls
über den Widerstand 55 gehender Gleichrichterstrom J, von 0,3 A einstellen, so daß
sich bei den angegebenen Potentialwerten für den Widerstand 55 ein zulässiger Höchstwert
von 27,5:0,6;-z-;45 Ohm ergeben würde. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
soll die Sekundärwicklung 45 zur Sperrung des Leistungstransistors einen Sperrimpuls
von mindestens 5 V liefern, der
den in Fig. 3 bei 80 angedeuteten
Kondensator so weit aufladen soll, daß die sich am Kondensator einstellende Ladespannung
Uk auch . noch nach dem Verschwinden des Sperrimpulses den Leistungstransistor für
eine kurze Zeit in seinem Sperrzustand zu halten vermag. Dies ist jedoch nur dann
möglich, wenn während des Sperrimpulses von der Sekundärwicklung 45 ein Strom geliefert
werden kann, der über demjenigen Wert liegt, den der über den Widerstand 55 im Leitungszustand
des Leistungstransistors gehende Gesamtstrom Jb+Jg von 0,6 A hat. Damit der im Leitungszustand
des Leistungstransistors fließende Gleichrichterstrom J, trotz der auch am Kondensator
80 liegenden Emitter-Basis-Spannung Ueb von 0,5 V klein bleibt, ist beim
Ausführungsbeispiel nach Fig.3 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
nicht ein aus Germanium hergestellter Gleichrichter, sondern, ein aus Silizium hergestellter
Gleichrichter 48 verwendet. Dieser hat eine Kennlinie, die in Fig.4 mit unterbrochenen
Linien angedeutet ist. Wie Fig. 4 erkennen läßt, kann bei gleicher Emitter-Basis-Spannung
nur ein wesentlich kleinerer Strom J, von etwa 0,08 A fließen, so daß der Widerstand
55 einen Höchstwert von 27,5:0,38-80 Ohm haben kann. Mit diesen Stromwerten für
den Basisstrom Jb und den Gleichrichterstrom Jg ergibt sich eine zum Sperren des
Leistungstransistors 40 erforderliche Impulsleistung von 5 V -0,4 A=2 W,
die von dem Steuertransistor 41 aufgebracht werden muß. Die zum Vergleich in Fig.
5 dargestellte, bereits vorgeschlagene Ausführungsform läßt die durch erfindungsgemäße
Anordnung erzielte Verbesserung deutlich erkennen.
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Bei der Anordnung nach Fig. 5 liegt die einerseits über einen Gleichrichter
48 mit der Basis des Leistungstransistors 40 verbundene Sekundärwicklung
45
mit ihrem anderen Wicklungsende an der Minusleitung 16. Der ebenfalls
an die Basis des Leistungstransistors 40 angeschlossene Kondensator 80 liegt zum
Widerstand 55 parallel. Wenn wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die von der
Sekundärwicklung gelieferten Sperrimpulse das Potential der Basis des Transistors
40 von 27,5 V auf 32,5 V, d. h. um 5 V anheben sollen, so ergibt sich, daß dazu
eine Leistung von 32,5 V-0,3 A-10 W erforderlich ist, wenn für den Basisstrom Jb
der gleiche Wert von 0,3 A wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach Fig.
3 zugrunde gelegt ist. Die bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 notwendige
Leistung, die vom Steuertransistor 41 aufgebracht werden muß, beträgt daher nur
ein Fünftel der in der Regeleinrichtung nach Fig. 5 erforderlichen Steuerleistung.