-
Regeleinrichtung für mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare
Generatoren niedriger Spannung, insbesondere für Fahrzeuglichtmaschinen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für mit stark wechselnden Drehzahlen antreibbare
Generatoren niedriger Spannung, insbesondere für 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 Arbeitskontaktpaar eines elektromagnetischen
Relais gesteuert wird, dessen Erregerspule an die zu regelnde Ausgangsspannung des
Generators angeschlossen ist und das Arbeitskontaktpaar unter Sperrung des Transistors
in seine Schließstellung bringt, sobald die Ausgangsspannung über ihren vorgesehenen
Sollwert hinaus anzusteigen droht.
-
Bei bekannten Regeleinrichtungen dieser Art werden die Schaltkontakte
des an die zu regelnde Spannung angeschlossenen magnetischen Relais geöffnet, wenn
die Ausgangsspannung des Stromerzeugers den vorgeschriebenen Sollwert zu überschreiten
droht. Diese Schaltkontakte liegen in einer Verbindungsleitung, die von der Basis
des in den Erregerstromkreis eingeschalteten Transistors zu derjenigen Ausgangsklemme
des Stromerzeugers führt, an die der Kollektor des Transistors angeschlossen ist.
Eine derartige Schaltungsanordnung der Relaiskontakte kann zu Kontaktschwierigkeiten
führen, weil beim Öffnen der Kontakte zwischen diesen eine erhebliche Spannung auftreten
kann. Außerdem ist es bei dieser Anordnung schwierig, zur Erzielung einer genügend
hohen Schaltfrequenz des Spannungsrelais eine Rückführung vorzusehen. Der Erfindung
lag die Aufgabe zugrunde, die an den Schaltkontakten des Spannungsrelais entstehende
Schaltleistung wesentlich zu erniedrigen und eine Anordnung zu schaffen, bei der
unabhängig von der jeweiligen Induktivität der Erregerwicklung des Stromerzeugers
eine hohe Schaltfrequenz erzielt wird, damit für Stromerzeuger verschiedener Leistungsgröße
eine einheitliche Reglertype vorgesehen werden kann. Darüber hinaus soll der Anschluß
einer Ladekontrollampe möglich sein, die dann erlischt, wenn die Ausgangsspannung
des Stromerzeugers die jeweilige Höhe einer an den Stromerzeuger angeschlossenen
Pufferbatterie erreicht und demzufolge der Stromerzeuger einen die Batterie aufladenden
Strom zu liefern vermag.
-
Diese Aufgaben lassen sich bei einer Regeleinrichtung der eingangs
beschriebenen Art lösen, bei der gemäß der Erfindung der bei stromleitendem Transistor
und offenem Kontaktpaar 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.
-
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine Kraftfahrzeuglichtanlage
mit einem Drehstromgenerator 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.l 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 Drehstromgenerator 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 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 Leistungstransistor 30 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
Kollektor des Transistors 30 ist außerdem eine Siliziumdiode 32 verbunden, deren
Zuleitungselektrode mit einer ebenfalls an Masse anschließbaren"Klemme 33 der Regeleinrichtung
verbunden ist. Dle Diode dient dazu, den Transistor vor überspannhngen 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 J1 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 anderen 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 nichtdargestellten 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 Leitung 18 ein Laststrom JL fließt, der zur Aufladung der Batterie
beiträgt. Zum Schutz der Gleichrichter 16 und der Wicklungen 11, 12 und 13 des Generators
gegen überlastung ist eine Strombegrenzungseinrichtung vorgesehen, die eine starke
Herabsetzung der Ausgangsspannung des Generators bewirkt, wenn der über die Leitung
18 und den Widerstand 19 fließende Laststrom IL 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 einem Germaniumhalbleiter 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 U,4 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 11 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
UA 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,1 im Zeitpunkt t. ihren Sollwert Us erreicht.
Dann wird dämlich 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 seither über den Transistor 30 gehende Strom JT fällt daher sehr
steil auf einen nahe bei Null liegenden Wert ab, während sich über die Gleichrichterdiode
32 ein Ausgleichsstrom ausbildet, der von dem in Abbau befindlichen Magnetfeld der
Erregerwicklung 15 herrührt. Mit dem Magnetfeld der Erregerwicklung sinkt jedoch
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 37 wieder verlassen und
den Transistor in seinen ursprünglichen stromleitenden Zustand zurückführen kann.
Der dann erneut einsetzende Transistorstrom JT bringt das Magnetfeld 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. Darüber hinaus wird durch den Ruhekontakt
42 eine zuverlässige Steuerung der Kontrollampe 45 erzielt, ohne daß hierfür 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 J1 geringfügig
zurückgeht. Sobald das von der Spannungsspule 35 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 darüber hinaus
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 unverändert hoch bleibenden Ausgangsspannung UA des Generators ein Laststrom
JL einstellen würde, der zu einer Überlastung des Generators führen würde. Der Laststrom
TL erzeugt nämlich am Widerstand 19 eine Spannung UD, die dann einen rasch ansteigenden,
über die Stromwicklung 47 gehenden Steuerstrom JD
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-Scheibehen 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 niedrigen Werten 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 Amp. hinausgeht,
die eingeregelte Spannung UA des Generators stark abzufallen beginnt. Dieser scharfe
Knick in der Regelkennlinie ist deswegen erwünscht, damit die im Generator enthaltenen
Leistungsreserven gut ausgenützt werden können.