-
Für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, bestimmte elektrische
Lichtanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge,
bestimmte elektrische Lichtanlage von annähernd gleichbleibender Spannung, mit Gleichstromgenerator,
auf dessen Erregung wirkendem Schnellregler und Batterie.
-
Es ist bereits bekannt, in Ladetafeln zum Aufladen von Akkumulatoren
an Stelle von Rückstromrelais Trockengleichrichterzellen den Akkumulatoren derart
vorzuschalten, daß der Ladestrom von dem Trockengleichrichter durchgelassen wird,
während in umgekehrter Richtung beim Ausbleiben der Netzspannung ein Stromdurchgang
gesperrt und dadurch eine Entladung der Akkumulatoren vermieden wird. Es ist außerdem
bekannt, daß Halbleiterelemente, die eine durch einen p-n-Übergang gebildete Sperrzone
enthalten, an Stelle von Trockengleichrichterelementen verwendet werden können.
-
Die besondere Schwierigkeit bei Verwendung von Halbleitergleichrichtern
an Stelle der sonst üblichen magnetischen Rückstromschalter in Lichtanlagen von
Fahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, liegt darin, daß die Gleichrichter
infolge der beschränkten Raumverhältnisse, die sich bei Fahrzeugen ergeben, nur
kleine Abmessungen haben dürfen, jedoch in der Lage sein müssen, den vollen Laststrom
der Fahrzeuglichtmaschine zu führen. Dieser Strom beträgt beispielsweise bei einer
6,3-V-Lichtanlage mit einer Leistung von 250 W etwa 40 Amp., die bei voller Belastung
der Lichtmaschine eine erhebliche Wärmeentwicklung im Gleichrichter zur Folge haben.
Diese Schwierigkeit wird besonders dadurch vergrößert, daß die unter den Motorhauben
von Kraftfahrzeugen zur Kühlung der Gleichrichter zur Verfügung stehende Umgebungstemperatur
bis zu 80° C und mehr erreichen kann und daher mit den sonst bei Gleichrichtern
verwendeten Kühlrippen eine Wärmeabstrahlung von nennenswertem Umfang nicht zu erwarten
ist.
-
Diese Schwierigkeiten lassen sich erfindungsgemäß beheben durch die
Verwendung eines an sich bekannten Halbleiterventils mit dickem Anschlußbolzen,
der zusammen mit einem Ansatzstück ein Peltierelement bildet, als Rückstromsperre
zwischen Batterie und Generator. Bei Lichtanlagen, deren Schnellregler eine an die
Lichtmaschinenspannung angeschlossene nichtlineare Brücke und einen in deren Diagonalzweig
mit seiner Steuerstrecke angeordneten Transistor enthält, der die Erregung der Feldwicklung
der Lichtmaschine beeinflußt, empfiehlt es sich gemäß einem weiteren Vorschlag der
Erfindung, das Ansatzstück des Halbleiterventils als Lastwiderstand in die Verbindungsleitung
zwischen den Zweigen der nichtlinearen Brücke einzuschalten. In der Zeichnung ist
als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Lichtanlage dargestellt, deren Regeleinrichtung
ein Halbleiterventil mit dickem Anschlußbolzen enthält, der zusammen mit einem Ansatzstück
ein Peltierelement bildet. Es zeigt Fig. 1 das Halbleiterventil im Längsschnitt,
Fig. 2 die Lichtanlage samt der Regeleinrichtung in ihrem elektrischen Schaltschema.
-
Die Halbleiterdiode nach Fig. 1 hat einen topfförmigen Grundkörper
10 aus Kupfer, der an seiner äußeren Bodenseite 11 einen mit Innengewinde 12 versehenen
Ansatz 13 trägt. Das Gewinde ist zur Aufnahme einer nicht gezeichneten Klemmschraube
zum Anschließen eines ebenfalls nicht dargestellten Zuleitungskabels bestimmt. An
der inneren Bodenfläche des Grundkörpers ist mit einer Zinnschicht 14 eine Scheibe
15 aus n-Germanium durch Lötung befestigt. Auf dieser sitzt ein als Zuleitungselektrode
dienender Kupferbolzen 16, der mit seiner einen Stirnseite durch eine Zwischenlage
18 aus Indium, das gleichzeitig als Legierungsmetall dient, auf der Germaniumscheibe
festgelötet ist. Auf seiner anderen Stirnseite trägt er ein mit einer Lötschicht
19 befestigtes Ansatzstück 20 aus Wismut-Tellurit, das zusammen mit dem Kupferbolzen
ein Peltierelement bildet.
-
Wenn in der in Fig. 1 angegebenen Pfeilrichtung Strom durch das Anschlußstück
20 und den Kupferbolzen 16 zum Grundkörper 10 fließt, wird dem Germaniumplättchen
15 Wärme entzogen, die am Ansatzstück 20 durch aufgepreßte Kühlscheiben
21
abgeführt werden kann. Es ist deshalb möglich, den Gleichrichter zusammen
mit nicht dargestellten weiteren Schaltelementen in ein in Fig. 1 mit unterbrochenen
Linien angedeutetes Gehäuse 23 einzubauen und die entstehende Wärme nach außen abzuleiten.
Um
den Anschluß von weiteren Schaltelementen, beispielsweise der weiter unten beschriebenen
Regeleinrichtung nach Fig. 2 zu erleichtern, ist der Kupferbolzen 16 mit einer angepreßten
Abplattung 24 versehen, die eine geeignete Sitzfläche für die erforderlichen, in
der Zeichnung jedoch nicht dargestellten Anschlußmittel ergibt. Der abgeplattete
Abschnitt wird in diesem Falle zweckmäßigerweise mit einer quer zur Bolzenachse
verlaufenden Gewindebohrung 25 versehen. Dann kann man den Leitungswiderstand des
Ansatzstückes als elektrisches Schaltelement ausnutzen. Da man es ohne weiteres
in der Hand hat, den elektrischen Leitungswiderstand des Ansatzstückes 20 durch
geeignet gewählte Längen-und Dickenabmessungen zu beeinflussen, kann man die dargestellte
Anordnung ihrem jeweiligen Verwendungszweck anpassen.
-
Eine besonders zweckmäßige Verwendung der beschriebenen Anordnung
ergibt sich bei einer elektrischen Regeleinrichtung für eine Kraftfahrzeuglichtmaschine,
deren Schaltbild in Fig. 2 dargestellt ist.
-
Die mit F bezeichnete Feldwicklung der Gleichstromlichtmaschine, die
von einem zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs bestimmten, in der Zeichnung nicht
dargestellten Antriebsmotor in Umdrehung versetzt werden kann, liegt im Nebenschluß
zum LichtmaschinenankerG. Sie ist mit einem ihrer Wicklungsenden an die negative
Bürste a der Lichtmaschine angeschlossen, während ihr anderes Ende mit der Kollektorelektrode
C 1 eines Flächentransistors 30
verbunden ist, der zusammen mit einem
zweiten Transistor 40 die Regeleinrichtung bildet. Die Emitterelektrode E1
des Transistors 30 liegt an der positiven Bürste der Lichtmaschine. Der zur
Erregung der Lichtmaschine erforderliche, die Feldwicklung F durchfließende Erregerstrom
geht daher über den Transistor 30. Die Größe dieses Stromes und damit die Höhe der
im Anker G induzierten und an den Bürsten a und b abgenommenen Spannung
hängt ab von der Größe des über die Basiselektrode B 1 des Transistors 30 fließenden
Basisstroms Jb 1, der über einen Widerstand 31 von etwa 100 Ohm zur Masse
bzw. zur negativen Bürste a geführt wird.
-
Der zur Steuerung des Transistors 30 dienende zweite Transistor 40
ist so geschaltet, daß er eine selbsterregte elektrische Schwingung erzeugt. Zu
diesem Zweck ist in seinem Ausgangskreis ein Transformator vorgesehen, dessen Eisenkern
41 drei im gleichen Wickelsinne ausgeführte Wicklungen 42, 43, 44 trägt.
Die mittlere Wicklung 43 hat etwa 90 Windungen bei 20 mHy und liegt mit ihrem
einen Ende an der mit der negativen Bürste a verbundenen Masseleitung; ihr anderes
Ende ist mit der Kollektorelektrode C 2 des Transistors 40 verbunden.
In die Verbindung von der Plusbürste b der Lichtmaschine zur Emitterelektrode E2
dieses Transistors sind zwei in Reihe liegende Gleichrichter 45 und 46 eingeschaltet.
Diese bilden zusammen mit einem Widerstand 47
den nichtlinearen Zweig einer
Brücke, die die Vergleichsspannung für den Regeleinsatz liefert. Der andere Zweig
dieser Brücke wird von einem einstellbaren Widerstand 48 von etwa 10 Ohm und einem
Widerstand 49 von etwa 80 Ohm gebildet. In der Diagonale der Brücke liegt
die Steuerstrecke des Transistors 40, der mit seiner Basis B 2 an
den Verbindungspunkt der Widerstände 48 und 49 und mit seinem Emitter E2 an den
Widerstand 47 sowie an den Gleichrichter 46 angeschlossen ist. Von der an Masse
liegenden niederohmigen Wicklung 44 des Transformators zweigt ein Gleichrichter
51 ab, der zusammen mit einem an die Wicklung 42
des Transformators
41 angeschlossenen zweiten Gleichrichter 52 an der Basiselektrode B 1 des Transistors
30 liegt.
-
In die Verbindungsleitung 55 von der Plusbürste b
der
Lichtmaschine zu der mit 57 bezeichneten Batterie ist ein Germaniumflächengleichrichter
60 der in Fig. 1 dargestellten Art so eingeschaltet, daß sein in Fig. 1 mit
20 bezeichnetes Ansatzstück als Lastwiderstand R nach Fig. 2 wirkt. Das Ansatzstück
ist derart bemessen, daß es einen Widerstand von 10 Miniohm für den Verbraucherstrom
Jv bildet, der von der Lichtmaschine zur Batterie 57 und zu den an diese anschließbaren,
mit 58 angedeuteten Verbrauchern der Lichtanlage fließt. Der Gleichrichter
60, der für den vollen Laststrom der Lichtmaschine bemessen sein muß, verhindert
an Stelle eines mechanischen Rückstromschalters, daß die Batterie sich über die
Lichtmaschine entlädt, wenn diese bei Stillstand oder zu niedriger Drehzahl der
antreibenden Brennkraftmaschine sich nicht auf die Batteriespannung erregen kann.
-
Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung läßt sich leicht übersehen,
wenn man davon ausgeht, daß die an den Bürsten a und b abgenommene
Spannung U der Lichtmaschine im Ansteigen begriffen und der Widerstand 48 so eingestellt
sei, daß bei Erreichen der Sollspannung die am Widerstand 48 abfallende Teilspannung
die Basis B 2 auf gleiches Potential wie die negativ vorgespannte Emitterelektrode
E2 des Transistors 40 bringt. Dadurch wird der Transistor 40 leitend
und es setzt ein den Wicklungsteil 43 durchfließender KollektorstromJb2 ein, der
im Wicklungsteil 44 eine durch den Pfeil U2 angedeutete Spannung induziert.
-
Diese in der Wicklung 44 erzeugte Spannung U 2 ist so gerichtet, daß
sie die Basis B 2 des Transistors 40 gegenüber der Emitterelektrode E2 noch stärker
negativ macht und daher einen stark anwachsenden Basisstrom (dessen Maximalwert
durch die Größe der induzierten Spannung U2 und die Größe der Widerstände 48 und
49 gegeben ist) und demzufolge auch einen stark anwachsenden Kollektorstrom J2 erzeugt.
Die vom Kollektorstrom J2 während seines Anstiegs induzierte Spannung UZ ändert
sich nur wenig. Der Kollektorstrom erreicht jedoch bald seinen Maximalwert, der
durch den Maximalwert des Basisstromes und die Baudaten des Transistors festgelegt
ist. Wenn sich dieser Maximalwert eingestellt hat, verschwindet die in den Wicklungen
induzierte Spannung U2 und das Potential der Basiselektrode B 2 springt auf einen
höheren Wert zurück, so daß der Basisstrom Jb nicht mehr in der seitherigen Höhe
aufrechterhalten werden kann. Dadurch wird auch der Kollektorstrom J2 gedrosselt.
Die Induktivität der Wicklung 43 wirkt jedoch dieser Änderung des Kollektorstromes
entgegen und erzeugt in der Wicklung 44 einen Spannungsimpuls, der in der Zeichnung
mit einem in unterbrochenen Linien ausgeführten Spannungspfeil U2' angedeutet ist.
Durch diesen Spannungsimpuls wird der Transistor 40
vollends in den nichtleitenden
Zustand gesteuert, in dem er so lange gehalten wird, bis der Spannungsimpuls U2'
abgeklungen ist. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem beginnen, sobald die
Lichtmaschinenspannung U wieder ihren Sollwert erreicht.
Da die
in der Wicklung 44 infolge der Änderungen des Kollektorstromes J2 erzeugten Spannungen
U2 und U 2' auf das Potential der Basis B 2 und damit
auf den Eingangskreis des Transistors 40 im Sinne einer Verstärkung dieser
Änderungen wirken, entsteht eine selbsterregte elektrische Kippschwingung, bei welcher
der Transistor 40 zwischen einem Betriebszustand mit hohem und einem Betriebszustand
mit niedrigem Kollektorstrom J2 nach Art eines monostabilen Sperrschwingers hin-
und zurückkippt, so oft die ansteigende Lichtmaschinenspannung bis zu dem am Widerstand
48 eingestellten Sollwert angestiegen ist.
-
Die Spannungsimpulse U 2 und U 2' werden
über die Gleichrichter 51 und 52 auf einen Ladekondensator 35 gegeben, dessen Größe
der Zeitkonstante der Lichtmaschine angepaßt ist. Er hat einen Wert von etwa 50
J und ist parallel zu dem Basiswiderstand 31 an die Basis B 1 des ersten Transistors
30 angeschlossen. Jeder der Spannungsstöße bewirkt, daß das Potential der Basis
B 1 kurzzeitig angehoben wird und den Erregerstrom Je stark drosselt, wodurch die
Lichtmaschinenspannung abgesenkt wird. Das Absinken der Lichtmaschinenspannung unter
den Sollwert hat zur Folge, daß der Transistor 40 so lange gesperrt bleibt
und daher keine die Lichtmaschinenspannung absenkenden Impulse auf den Transistor
30 zu geben vermag, bis die Lichtmaschine sich wieder selbst auf ihre Sollspannung
erregt hat.
-
Durch den Widerstand R des Ansatzstückes 20
wird erreicht, daß
die Regeleinrichtung eine bei wachsender Belastung absinkende Sollspannung einhält.
Je nach der Größe des der Lichtmaschine entnommenen Belastungsstromes Jv fällt nämlich
am Widerstand R eine Spannung ab, die sich zu der am Widerstand 48 entstehenden
Spannung addiert. Der Transistor 40 wird daher bereits stromleitend, ehe
die Lichtmaschinenspannung ihren für kleine Verbraucherströme geltenden Sollwert
wieder erreicht hat und vermag über die Transformatorwicklungen 43
und
44 bzw. 42 Sperrimpulse zur Herabsetzung der Lichtmaschinenerregung
auf den Leistungstransistor 30 zu geben. Dies ergibt eine mit steigender Belastung
abfallende Regelkennlinie.
-
Der besondere Vorteil bei der Verwendung der Anordnung nach Fig. 1
bei der Schaltung nach Fig. 2 besteht darin, daß der Widerstand des zur elektrothermischen
Kühlung erforderlichen Ansatzstückes gleichzeitig als Schaltelement dient. Solange
der über den Gleichrichter 60 fließende Verbraucherstrom Jv klein ist, wird
im Gleichrichter nur wenig Wärme erzeugt, und die thermoelektrische Kühlwirkung
ist nur gering. Die Kühlwirkung steigt jedoch mit wachsendem Verbraucherstrom. Gleichzeitig
bewirkt der Widerstand R des Ansatzstückes 20 die erforderliche Spannungsabsenkung.
Es ist selbstverständlich möglich, die lediglich beispielsweise an Hand der Anordnung
nach Fig. 1 beschriebene Maßnahme, ein bolzenförmiges Anschlußstück durch Anlöten
eines Ansatzstückes mit hoher Thermokraft zu einem Peltierelement zu ergänzen, auch
bei Flächentransistoren mit bolzenförmigen Anschlußelektroden zu verwenden, um dadurch
eine zusätzliche Kühlung des Halbleiterkörpers zu erzielen. Diese Maßnahmen empfehlen
sich besonders bei einem Flächentransistor, bei dem ein Metallrohr als Basis verwendet
ist, während zwei zum Metallrohr gleichachsig angeordnete Kupferbolzen, von denen
der eine als Emitter-, der andere als Kollektorelektrode dient, mit ihren einander
zugekehrten Stirnseiten an einem an seinem Umfang in der Bohrung des Rohres verlöteten
Germaniumplättchen mittels Indium, das gleichzeitig als Legierungs- und Lötmetall
dient, befestigt sind.
-
Man kann in diesem Falle auf jedem der beiden freien Bolzenenden ein
Ansatzstück befestigen, wobei jedoch der Werkstoff für den einen Bolzen eine hohe
positive Thermospannung, derjenige für den anderen Bolzen eine hohe negative Thermospannung
haben soll, damit der in Durchlaßrichtung fließende Arbeitsstrom des Transistors
die Wärme nach beiden Seiten hin vom Halbleiterplättchen weg in Richtung auf die
Bolzenenden hin abführen kann.