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Vorrichtung zum Regeln der Spannung von mit stark veränderlicher Drehzahl
angetriebenen Stromerzeugern Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Regeln der Spannung von mit stark veränderlicher Drehzahl angetriebenen Stromerzeugern,
insbesondere für Kraftfahrzeuge, mittels eines elektromagnetischen Spannungsreglers,
dessen Regelkennlinie durch ein vom Hauptstrom des Stromerzeugers erwärmbares Glied
mit stark positivem Temperaturbeiwert beeinfiußt wird.
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Es sind bereits zur Verwendung auf Fahrzeuglichtmaschinen bestimmte
Spannungsregler bekanntgeworden, bei welchen die zur Senkung der Spannung verwendeten
Glieder einen stark negativen Temperaturbeiwert - sogenannten Heißleiter- oder aber
einen stark positiven Temperaturbeiwert - sogenannten Kaltleiter aufweisen. Bei
Heißleitern ändert sich der Widerstand R1 in Abhängigkeit von der Temperatur T nach
der Beziehung
wobei A eine Konstante ist und bei Kaltleitern der Widerstand R., nach der Beziehung
R2 = B - eT mit B
als konstanter Größe. Infolge der exponentiellen
Änderung des Widerstandes beginnt die Spannungssenkung schon bei verhältnismäßig
niedriger Belastung des Stromerzeugers.
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Dies hat den Nachteil, daß der von dem Stromerzeuger gespeiste Stromsammler
nicht in dem gewünschten Maß geladen wird. Zwar kann man den Kaltleiter so bemessen
und ihn bei geeigneter Anordnung durch den Hauptstrom des Stromerzeugers so beheizen,
daß sein Widerstand erst bei größerer Belastung des Stromerzeugers merklich zunimmt,
jedoch bereitet dann die zweckmäßige Bemessung des Kaltleiters und seine passende
Anordnung und damit verbunden seine erforderliche Abstimmung Schwierigkeiten.
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Gemäß der Erfindung werden die geschilderten Nachteile in einfacher
Weise dadurch vermieden, daß .dieses Glied aus einem an sich bekannten Halbleiterelement
besteht, dessen Widerstand bei zunehmender Temperatur bis zu einem vorbestimmten
Temperaturwert ganz allmählich und bei weiterer Temperaturzunahme jedoch sprunghaft
ansteigt, und das unmittelbar auf einem Abschnitt der Hauptstromleitung angeordnet
ist, dessen Widerstand, bezogen auf die Längeneinheit, größer ist als der entsprechende
Widerstand der übrigen Abschnitte der Hauptstromleitung. Ein weiterer Vorteil der
Erfindung besteht darin, daß das Halbleiterelement wegen seiner kleinen Abmessungen
unmittelbar auf der Hauptleitung befestigt werden kann, wodurch erreicht wird, daß
seine Erwärmung nahezu nur von der Stromstärke in der Leitung abhängig ist.
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In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele des Gegenstandes -der
Erfindung drei Schaltbilder von Anlagen mit einem Gleichstromerzeuger und einem
Spannungskontaktregler dargestellt. Es zeigen F i g. 1, 2 und 3 je ein Schaltbild
einer insbesondere für Kraftfahrzeuge bestimmten Stromerzeugungsanlage, deren Spannungsregler
durch ein Halbleiterelement mit stark positivem Temperaturbeiwert beeinflußt wird,
F i g. 4 die Anordnung des Halbleiterelements auf einer Hauptstromleitung der Anlage,
F i g. S die Kennlinien eines bekannten Kaltleiters sowie eines Halbleiterelements
gemäß der Erfindung. In den drei Schaltbildern ist 10 ein Nebenschluß-Gleichstromerzeuger
mit einem Anker 11 und einer Feldwicklung 12, zu der ein Regulierwiderstand 13 in
Reihe geschaltet ist. Der Minuspol des Ankers liegt an Masse, an seinem Pluspol
ist die Feldwicklung angeschlossen, die über den Widerstand 13 ebenfalls mit Masse
verbunden ist. In allen drei Fällen wird die Spannung des Stromerzeugers .durch
einen an sich bekannten sogenannten Zweikontaktspannungsregler 14 geregelt. Dieser
hat einen beim Betrieb zwischen zwei feststehenden Kontakten 15 und 16 hin- und
herschwingenden Kontakt 17, an dem eine Feder 18 angreift, die bestrebt ist, ihn
gegen den an Masse anliegenden Kontakt 16 zu drücken. Der andere Kontakt 15 ist
an die vom Pluspol des Stromerzeugers abgehende Hauptleitung 19 angeschlossen. Der
Regler wird von einer Spannungsspule 20 erregt.
Mit 21 ist ein sogenannter
Ladeschalter bezeichnet, der den Stromerzeuger beim Erreichen einer bestimmten Spannung
in bekannter Weise mit einem Stromsammler 22 verbindet. Durch einen am Stromsammler
angeschlossenen Schalter 23 können Stromverbraucher 24 eingeschaltet werden.
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Um die Spannungsregelung von der Belastung des Stromerzeugers abhängig
zu machen, ist ein Halbleiterelement 25 vorgesehen, dessen Widerstand bei steigender
Temperatur sich nach der Kurve B in F i g. 5 ändert. Danach nimmt der Widerstand
des Elements bis etwa 120° C Erwärmung nur ganz wenig zu, steigt dann aber beim
Überschreiten dieser Temperatur sprunghaft an.
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Bei dem Schaltbild nach F i g. 1 ist an einem innerhalb des Reglers
verlaufenden Abschnitt der Hauptleitung 19 ein solches Halbleiterelement 25 angelötet,
so daß einer seiner Pole unmittelbar mit der Hauptleitung verbunden ist. Die Stelle,
wo das Element sitzt, hat zur Erhöhung ihres Widerstandes einen kleineren Querschnitt
als die übrigen Abschnitte der Leitung. Das Element ist parallel zu der Erregerwicklung
20 des Reglers geschaltet. In Reihe zu der Erregerwicklung und dem Element liegt
ein Widerstand 26.
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Die Regelvorrichtung arbeitet in folgender Weise. Sobald der aus dem
Stillstand angetriebene Stromerzeuger beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl eine
Spannung erzeugt, die höher ist als diejenige des Stromsammlers, schließt der Ladeschalter
und verbindet den Stromerzeuger mit dem Stromsammler. Die Stärke des in der Hauptleitung
dann fließenden Stromes hängt vom Ladezustand des Stromsammlers und von der Zahl
der eingeschalteten Stromverbraucher ab. Bis zu einer vorbestimmten Stromstärke
des Stromerzeugers arbeitet der Spannungsregler in der üblichen Weise, und zwar
sind seine Kontakte 16, 17 bei niederer Spannung geschlossen und schließen den Widerstand
13 kurz. Bei steigender Spannung wird der Kontakt 17 vom Kontakt 16 abgehoben und
dadurch der Widerstand 13 vor die Erregerspule 12 des Stromerzeugers
geschaltet. Wenn die Spannung des Stromerzeugers noch weiter ansteigt, berührt der
Kontakt 17 den Kontakt 15 und schließt die Erregerspule 12 kurz, wodurch eine starke
Senkung der erzeugten Spannung bewirkt wird.
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Die Stelle der Hauptleitung 19, an welcher das Halbleiterelement sitzt,
ist so bemessen, daß das Element bei Stromstärken, die kleiner sind als die obenerwähnte
vorbestimmte Stromstärke, höchstens auf 120° C erwärmt wird. Dabei bleibt der Widerstand
des Elements gemäß der Kurve B in F i g. 5 nahezu unverändert. Überschreitet die
Stromstärke in der Hauptleitung den vorbestimmten Wert nur um einen kleinen Betrag,
so steigt derWiderstand des Elements wegen der zunehmenden Erwärmung sprunghaft
an. Die Folge davon ist, daß durch das Element nur noch ein vernachlässigbar kleiner
Strom fließt.
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Wenn man das Element so bemißt, daß sein Widerstand in kaltem Zustand
beispielsweise das Zehnfache des Widerstandes der Reglerwicklung 20 beträgt, so
ist der Gesamtstrom in dem Widerstand 26 um 10°/o größer als der Teilstrom in der
Wicklung 20. Der Spannungsabfall im Widerstand ist daher um 1011/o größer,
als wenn in ihm nur der Teilstrom der Wicklung 20 fließen würde. Infolgedessen regelt
der Regler, solange das Element 25 unter 120° C warm ist, auf eine entsprechend
höhere Spannung. Sobald der Strom in der Hauptleitung den vorbestimmten Wert überschreitet,
steigt der Widerstand des Elements sprunghaft auf einen vielfachen Wert. Der Teilstrom
im Element sinkt entsprechend und damit auch der Spannungsabfall im Widerstand 26.
Der Spannungsregler regelt daher auf eine niedere Spannung, wodurch der Stromerzeuger
vor überlastung geschützt wird. Da der Widerstand des Elements sich im Bereich von
0 bis 120`=' C praktisch nicht ändert, erhält man bis zu solchen Belastungen des
Stromerzeugers, die das Element bis zu l20° C erwärmen, eine gute Ladung des Stromsammlers.
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Das Schaltbild nach F i g. 2 unterscheidet sich von dem nach F i g.
1 nur darin. daß das Halbleiterelement 25 an einem Abschnitt der Hauptleitung
innerhalb des Stromerzeugers angeordnet ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist in Reihe mit dem Halbleiterelement
25 eine der Reglerspule 20 entgegenwirkende Spule 27 geschaltet.
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F i g. 4 zeigt eine praktische Ausführung der Anordnung des Halbleiterelements.
Der die Hauptleitung 19 bildende Runddraht ist an einer Stelle flachgedrückt und
dort das Element 25 angelötet, dabei ist die flachgedrückte Stelle so beschnitten
oder gestreckt, daß sie einen kleineren Querschnitt hat als die übrigen Abschnitte
der Hauptleitung.
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Für das Halbleiterelement 25 eignen sich an sich bekannte Halbleiterwiderstände,
die beispielsweise aus Keramikkörpern aus Bariumtitanat mit Zusätzen von seltenen
Erden wie Lanthan bestehen. Durch geeignete Wahl der Zusätze kann erreicht werden,
daß der sprunghafte Anstieg des Widerstandes im Bereich von 100 bis l50° C einsetzt.