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Spannungsregeleinrichtung für eine Fahrzeuglichtmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf eine Spannungsregeleinrichtung für eine im Nebenschluß erregte,
auf eine Sammlerbatterie arbeitende Fahrzeuglichtmaschine, bei der in der Verbindungsleitung
von der Maschine zur Batterie der Arbeitskontakt eines mit einer Stromspule versehenen
Rückstromrelais liegt, mit einem parallel zum Erregerkreis der Maschine geschalteten
Spannungsrelais, dessen Kontakt im Erregerkreis liegt, wobei der Eisenkern des Spannungsrelais
zusätzlich eine das Spannungsrelais beeinflussende Steuerwicklung trägt, die in
Serie mit einem nichtlinearen, eine Knickkennlinie aufweisenden Stromleiter an einen
vom Maschinenstrom durchflossenen Widerstand angeschlossen ist.
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Aus der französischen Patentschrift 1068 441 ist bereits eine derartige
Anordnung bekannt, bei der der Kontakt die Form einer Kohlesäule hat, die von einem
Spannungsrelais betätigt wird. Die Steuerwicklung dieses Spannungsrelais ist in
Serie mit einem nichtlinearen, eine Knickkennlinie aufweisenden Stromleiter an einen
Widerstand angeschlossen, der vom Strom der Lichtmaschine durchflossen wird.
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Eine ähnliche Anordnung zeigt auch die deutsche Patentschrift 754
567.
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In beiden Fällen ist zum Erzeugen des Spannungsabfalles, der zum Steuern
der Steuerspule dient, ein besonderer Widerstand vorgesehen. Erreicht die Spannung
an diesem Widerstand einen bestimmten Wert, so wird der nichtlineare Stromleiter
leitend, die Steuerwicklung erhält einen Strom, die Erregung der Lichtmaschine wird
herabgesetzt, und die Ausgangsspannung der Lichtmaschine wird erniedrigt.
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Der zum Erzeugen des Spannungsabfalls dienende Widerstand wird gewöhnlich
am Regler angeordnet. Besonders bei Anlagen für Kraftfahrzeuge mit 6 Volt Spannung
entsteht dabei die Schwierigkeit, die an diesem Widerstand entstehende Wärme abzuführen.
Bei einem Laststrom von 40 A (entsprechend einer Leistung der Lichtmaschine von
240 Watt) erhält man z. B. eine Verlustleistung von etwa 16 bis 20 Watt an diesem
Widerstand, die das Spannungsrelais stark erwärmt und in ihm einen erheblichen Temperaturgang
verursacht.
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Außerdem addiert sich der Spannungsabfall an diesem Widerstand zu
den sonstigen Spannungsabfällen im Regler und an den Leitungen zwischen Lichtmaschine
und Batterie. Gerade bei Anlagen für niedrige Betriebsspannungen mit ihren relativ
hohen Strömen sind solche zusätzlichen Spannungsabfälle besonders unerwünscht, da
sie einen erheblichen Prozentsatz derBetriebsspannung ausmachen können.
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Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Spannungsregeleinrichtung
zu schaffen, bei der die Spannungsabfälle im Regler klein gehalten werden und bei
der die Erwärmung des Reglers durch den erwähnten Widerstand möglichst gering ist.
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Nach der Erfindung wird dies bei einer eingangs genannten Spannungsregeleinrichtung
in sehr einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Stromspule zusammen mit mindestens
einem Teil eines außerhalb des Reglergehäuses verlaufenden Anschlußkabels den vom
Maschinenstrom durchflossenen Widerstand bildet. Hierdurch wird der Spannungsabfall
an der Stromspule des Rückstromrelais zusätzlich ausgenutzt. Der restliche Spannungsabfall
wird an einem Anschlußkabel erzeugt, das im wesentlichen außerhalb des Reglergehäuses
verläuft und daher den Regler nicht erwärmt. Durch Wahl eines geeigneten Querschnitts
für dieses Anschlußkabel kann man den gewünschten Spannungsabfall festlegen. Da
an diesem Anschlußkabel in jedem Fall ein Spannungsabfall auftreten würde, wird
auch durch diese Maßnahme der Spannungsabfall zwischen Lichtmaschine und Batterie
klein gehalten.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird die Spannungsregeleinrichtung
so ausgebildet, daß der nichtlineare, eine Knickkennlinie aufweisende Stromleiter
eine Halbleiterdiode mit einem pn-übergang, insbesondere eine solche mit einem niederohmigen
Germaniumelement ist und daß er an der Unterseite des Reglergehäuses befestigt ist.
Die Verwendung einer derartigen Halbleiterdiode ergibt den Vorteil, daß nur ein
geringer Spannungsabfall von etwa 0,3 bis 0,5 V notwendig ist, um diese Diode voll
leitend zu machen, so daß man zur Erzeugung dieses Spannungsabfalls nur kleine Widerstände
benötigt. Die Montage dieser Diode an der Unterseite des Reglergehäuses ergibt bei
Verwendung in einem Kraftfahrzeug eine gute Kühlung der Diode durch den Fahrwind.
In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F
i g. 1 das elektrische Schaltschema einer Lichtanlage für Kraftfahrzeuge, F i g.
2 den in der Lichtanlage nach F i g. 1 verwendeten Regler bei abgenommener Gehäusekappe
als Raumbild, F i g. 3 den Regler nach F i g. 2 in der Ansicht von unten, F i g.
4 den beim Regler nach F i g. 2 und 3 verwendeten pn-Halbleiter im Längsschnitt
in etwa 2,5facher Vergrößerung und F i g. 5 das Strom-Spannungs-Kennlinienfeld des
Halbleiters nach F i g. 4.
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Die Lichtanlage nach F i g. 1 umfaßt eine Gleichstromnebenschlußlichtmaschine
G, eine mit dieser zusammenarbeitende Batterie B und mehrere an die Batterie anschließbare
Verbraucher, von denen in der Zeichnung nur eine bei L angedeutete Lampe dargestellt
ist, der beim Schließen ihres zugeordneten Schalters S Strom aus der Batterie zugeführt
wird. Außerdem enthält die Lichtanlage einen in F i g. 2 und 3 näher dargestellten
Regler, der die Aufgabe hat, die vom Generator an die Batterie und die Verbraucher
abgegebene Spannung Ug auf einem während des Betriebes gleichbleibenden Wert zu
halten und dann, wenn die angeschlossenen Verbraucher so niederohmig sind, daß der
ihnen zufließende Laststrom J1 einen für die Lichtmaschine als Dauerbelastung zulässigen
Höchstwert überschreiten würde, die Erregung der Lichtmaschine und damit die Klemmenspannung
der Lichtmaschine so weit herabsetzt, daß dieser Wert nicht überschritten werden
kann.
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Die Regeleinrichtung enthält zwei elektromagnetische Relais, von denen
das eine eine Spannungsspule 10, einen beweglichen Schaltarm 11 und einen Ruhekontakt
12 hat, während das andere eine Stromspule 13, einen beweglichen Schaltarm 14 und
einen Arbeitskontakt 15 aufweist.
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Der bewegliche Schaltarm 11 des Spannungsrelais ist sowohl mit einem
Ende der in F i g. 1 mit 16 angedeuteten Feldwicklung der Lichtmaschine G verbunden
als auch mit einem in Reihe zur Feldwicklung 16 geschalteten Feldwiderstand
18. Die Spannungsspule 10 liegt mit ihrem einen Wicklungsende an der
Masseleitung 20 und ist über diese mit der Minusbürste b der Lichtmaschine
verbunden, während ihr anderes Wicklungsende an den beweglichen Schaltarm 14 und
gleichzeitig über die Stromspule 13 und die Plusleitung 21 an die Plusbürste a der
Lichtmaschine angeschlossen ist. Auf dem gleichen Magnetkern 22, auf dem die Stromspule
13 sitzt, ist außerdem eine feindrähtige und mit hoher Windungszahl ausgeführte
Wicklung 23 angebracht, die mit der Stromspule 13 in der Weise zusammenarbeitet,
daß der Schaltarm 14 nur dann gegen seinen Arbeitskontakt 15 angezogen wird,
wenn die Lichtmaschinenspannung Ug mindestens die Höhe der Batteriespannung erreicht
hat, dagegen die Verbindung zwischen Generator und Batterie unterbricht, sobald
dieser Wert unterschritten wird.
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Wenn die Lichtmaschine G mit genügend hoher Drehzahl aus dem Stillstand
heraus angetrieben wird, erregt sie sich über ihre im Nebenschluß arbeitende Feldwicklung
16 sehr rasch, da beim Anlaufen der Kontaktarm 11 den Ruhekontakt
12 berührt und dadurch den Feldwiderstand 18 kurzschließt. Sobald
die Lichtmaschinenspannung einen Wert erreicht, der einen zum Abheben des Schaltarmes
11 vom Ruhekontakt 12 ausreichenden Strom in der Spannungsspule
10 ergibt, kommt der Feldwiderstand 18
zur Wirkung, der den durch die
Feldwicklung 16 fließenden Erregerstrom stark herabsetzt und zur Folge hat, daß
die Lichtmaschinenspannung entsprechend zurückgeht, bis sie einen unteren Sollwert
erreicht, bei dem der Schaltarm 11 in der Einzugsstellung nicht mehr gehalten werden
kann und unter der Wirkung einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rückführfeder
in die Ausgangslage zurückkehrt und dabei den Feldwiderstand wieder kurzschließt.
Der eben beschriebene Vorgang wiederholt sich dann von neuem, und zwar unabhängig
davon, ob die Lichtmaschine über die Stromspule 13 belastet wird oder nicht.
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Um zu vermeiden, daß die Lichtmaschine durch zu große Lastströme J1
unzulässig beansprucht wird, ist in einem zur Stromspule 13 parallelen Stromkreis
24 ein pn-Halbleiter 25 angeordnet. In Reihe mit diesem liegt eine Steuerwicklung
26, die mit der Spannungsspule 10 auf einen gemeinsamen, in F i g.
2 mit 27 angedeuteten Eisenkern angeordnet ist. Der in F i g. 4 im Schnitt vergrößert
dargestellte Halbleiter enthält in einem Kupfertopf 28 eine etwa 0,3 mm dicke Scheibe
29 aus niederohmigem n-Germanium mit einer Leitfähigkeit von etwa 0,1 Ohm cm. Auf
diese Scheibe ist mit einer gleichzeitig als Legierungswerkstoff dienenden Indiumpille
30 ein Kupferdraht 31 festgelötet. Zum Zusammenlöten wird innen auf den Boden
des Kupfertopfes ein Zinnplättchen gelegt, auf dieses die Scheibe 29 und darauf
die Indiumpille aufgesetzt und über das Ganze eine in die Bohrung des Kupfertopfes
eingreifende, in der Zeichnung nicht dargestellte Graphitform geschoben, die eine
gleichachsig zum Kupfertopf angebrachte Bohrung zur Aufnahme des Anschlußdrahtes
31 hat. Das Ganze wird dann in einem Vakuumofen auf 520 bis 550° C erhitzt und etwa
10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten, wobei das schmelzflüssig gewordene Indium
bis zu einer Tiefe von 0,15 mm in das n-Germanium einlegiert und in dieser Legierungszone
p-Leitfähigkeit hervorruft. Die hierdurch entstehende, in F i g. 4 mit unterbrochenen
Linien 32 angedeutete pn-Grenzschicht ergibt die in F i g. 5 dargestellte Strom-Spannungs-Kennlinie
des Halbleiters 25. Danach vermag der Halbleiter nur einen sehr schwachen,
annähernd linear bis etwa 0,04 A ansteigenden Strom J zu führen, solange die zwischen
dem Anschlußdraht 31 und dem Kupfertopf 28 wirksame Spannung U unterhalb von 0,2
Volt bleibt, während im Bereich von 0,2 bis 0,3 Volt die Kennlinie mit einer starken
Krümmung in eine Steilheit von mindestens 10 A/Volt übergeht.
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Durch den über die Wicklung 26 und den Halbleiter 25 fließenden Strom
J wird die magnetische Erregung des Spannungsrelais vergrößert; seine Kontakte
11 und 12 öffnen daher schon dann, wenn die Generatorspannung Ug einen
unter dem Sollwert liegenden Wert erreicht. Die auf diese Weise sich einstellende
Generatorspannung liegt um so tiefer, je höher der Laststrom J1 ansteigt und je
höher demzufolge der Spannungsabfall U1 auf dem zwischen den Punkten 40 und
41 sich erstreckenden Leitungsstück 42 und der Spannungsabfall Us
an der Stromspule 13 werden. Diese beiden vom Laststrom JI hervorgerufenen Spannungen
wirken zusammen als Betriebsspannung für den aus dem Halbleiter 25 und der Steuerwicklung
26 gebildeten Stromkreis, in dem der Steuerstrom J
fließt. Wie F
i g. 3 deutlicher erkennen läßt, ist das Leitungsstück 42 außerhalb des Regiergehäuses
50
verlegt und zusammen mit einer Leitung 44, die zu dem ebenfalls außerhalb
des Reglergehäuses an dessen Unterseite angeordneten Halbleiter 25 führt, zu einer
Doppelleitung zusammengefaßt. Die Leitung 42
ist bei 41 mit ihrem einen Ende
an eine Anschlußschiene 46 angelötet, die an der Unterseite des Reglergehäuses angenietet
ist. Ihr anderes Ende ist zusammen mit dem freien Ende der Leitung 44 bei
40 mit dem einen Ende eines Kabels 47 verlötet, dessen anderes Ende an die
in F i g. 1 mit 48 angedeutete Plusklemme der Lichtmaschine angeschlossen ist.
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Erfindungsgemäß ist das zwischen den Verbindungspunkten 40 und 41
sich erstreckende Leitungsstück 42 hinsichtlich Länge und Querschnitt so
bemessen, daß sein Widerstand etwa in der Größe des Gleichstromwiderstandes der
Stromspule 13 liegt und beim Auftreten des zulässigen Höchstwertes des Lichtmaschinenlaststromes
J 1 einen Spannungsabfall von mindestens 0,15 Volt, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3
Volt, ergibt. Zweckmäßigerweise bemißt man den Querschnitt des Leiters so knapp,
daß die Querschnittsbelastung beim Höchstwert des Laststromes mindestens 10 A/mm2,
vorzugsweise 15 A/mm2, erreicht. Da die Länge des Leitungsstückes in diesem Fall
etwa 25 cm beträgt, ergibt sich eine ausreichende Abstrahlung der auf dem Leitungsstück
42 entstehenden Verlustwärme, ohne daß hiervon das im Gehäuse 50 untergebrachte
Spannungsrelais beeinflußt wird.