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Spannungsregler für Fahrzeuglichtmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf einen Spannungsregler für im Nebenschluß arbeitende Fahrzeuglichtmaschinen,
der ein elektromagnetisches, mit einer Spannungsspule versehenes Spannungsrelais
enthält, dessen Anker ein in den Erregerstromkreis der Lichtmaschine einschaltbares
Schaltkontaktpaar betätigt, sobald die Lichtmaschinenspannung ihren Sollwert überschreitet,
und außerdem noch eine vom Laststrom der Lichtmaschine gesteuerte Strombegrenzungseinrichtung
hat, die das Schaltkontaktpaar betätigt, wenn der Laststrom einen zulässigen Höchstwert
überschreitet, und eine auf dem Spannungsrelais angeordnete Hilfsspule einen in
Reihe mit dieser liegenden nichtlinearen Stromleiter mit ausgeprägter Knickkennlinie
sowie einen in die Verbindungsleitung zwischen der Lichtmaschine und einer an diese
anschließbaren Sammlerbatterie eingefügten niederohmigen Widerstand umfaßt, wobei
ein Ende des Widerstandes mit einem Wicklungsende der Hilfsspule, sein anderes Ende
mit dem nichtlinearen Stromleiter verbunden ist.
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Bekannte Spannungsregler für Lichtmaschinen von Kraftfahrzeuglichtanlagen
enthalten außer einem mit einem Ruhekontaktpaar in den Erregerstromkreis der Lichtmaschine
eingeschalteten Spannungsrelais noch ein Rückstromrelais, welches ebenfalls mit
einer an die Ausgangsklemmen der Lichtmaschine angeschlossenen Spannungsspule und
zusätzlich mit einer Stromspule ausgerüstet ist, welche in die Verbindungsleitung
von der Lichtmaschine zur Sammlerbatterie in Reihe mit den Arbeitskontakten des
Rückstromrelais liegt. Das Rückstromrelais hält die Batterie bei untererregter oder
mit zu niedrigen Drehzahlen angetriebener Lichtmaschine von dieser abgeschaltet
und verhindert dadurch eine Entladung der Batterie. Am Regelungsvorgang, der bei
allen auftretenden Drehzahlen eine gleichbleibende Ausgangsspannung der Lichtmaschine
zur Folge haben soll, sind derartige Rückstromrelais nicht beteiligt. Bei bekannten
Regeleinrichtungen der eingangs beschriebenen Art wird der der Lichtmaschine entnommene
Laststrom auf einen Höchstwert durch ein zusätzliches Stromrelais begrenzt, dessen
Kontakte in Reihe mit den Kontakten des Spannungsrelais in den Erregerstromkreis
der Lichtmaschine eingeschaltet sind.
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Es sind außerdem, beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 695
017, Regeleinrichtungen für Fahrzeuglichtmaschinen bekanntgeworden, bei welchen
das Spannungsrelais außer der Spannungsspule noch eine der Stromregelung dienende
Hilfsspule trägt und für die Strom- und Spannungsregelung ein gemeinsamer, diese
beiden Spulen tragender Eisenkern und ein gemeinsamer Anker vorgesehen sind, wobei
ein Steuerregler die Hilfsspule so lange kurzgeschlossen hält, bis der Laststrom
über den auf gleichbleibende Spannung zu regelnden Bereich hinaus auf seinen Höchstwert
ansteigt, bei welchem die Stromregelung einsetzt. In dieser Anordnung wird zur Steuerung
der auf dem Spannungsregler sitzenden Hilfsspule ein mit dem Eisenkern des Rückstromrelais
magnetisch verbundener Steueranker verwendet. Es sind außerdem, beispielsweise aus
der britischen Patentschrift 443 238, Spannungsregler bekanntgeworden, bei welchen
das Spannungsrelais ebenfalls eine Hilfswicklung trägt, die in Reihe mit einem Widerstand
parallel zur Stromspule des Rückstromrelais geschaltet ist und einen zum Batterieladestrom
proportionalen Hilfsstrom führt. Bei dieser Anordnung wird mit der Hilfsspule des
Spannungsrelais eine linear mit dem Batterieladestrom absinkende Lichtmaschinenausgangsspannung
gewährleistet, wobei die Neigung der Kennlinie entweder willkürlich von Hand oder
selbsttätig mit einem an die Batterie angeschlossenen, in Abhängigkeit von deren
Ladezustand schließenden Schalter geändert werden kann, der auf einen zur Hilfsspule
in Reihe liegenden Widerstand einwirkt.
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Es sind auch schon Regelungseinrichtungen (aus der deutschen Patentschrift
821517) bekanntgeworden, bei welchen die Hilfsspule des Spannungsrelais parallel
zur Stromspule des Rückstromrelais geschaltet wird mit Hilfe eines in der Laststromleitung
der Lichtmaschine angeordneten Bimetallstreifens, der sich beim Auftreten des zulässigen
Höchstwertes des Laststromes stark verbiegt und dabei die Hilfsspule zur Wirkung
bringt. Im Gegensatz zu derartigen die Hilfsspule über Kontakte in den Laststromkreis
einschaltenden Anordnungen sind z. B. durch die deutsche Patentschrift 754 567 Regeleinrichtungen
bekanntgeworden, bei welchen die Hilfsspule kontaktlos zur Wirkung gebracht wird.
Dort liegt die
Hilfsspule in Reihe mit einem spannungsabhängigen
Widerstand parallel zu einem Steuerwiderstand, der in der von einer der Generatorausgangsklemmen
zu dessen Verbrauchern führenden Verbindungsleitung angeordnet ist und einen von
der jeweiligen Höhe des Laststromes unabhängigen, gleichbleibenden Widerstandswert
aufweist. Bei diesen bekannten Regeleinrichtungen ist kein Rückstromrelais vorgesehen,
weil die Verbraucher ohne Verwendung einer Pufferbatterie unmittelbar an den Generator
über den Steuerwiderstand angeschlossen werden sollen. Der nichtlineare, spannungsabhängige
Widerstand kann dabei als Sperrzelle oder als Heißleiter ausgebildet sein und erfordert
daher einen verhältnismäßig großen Spannungsabfall an dem in der Laststromleitung
liegenden Steuerwiderstand. Außerdem hat der dort vorgesehene, als Sperrzelle oder
temperaturabhängiger Widerstand ausgebildete nichtlineare Stromleiter einen quadratischen
Kennlinienverlauf, welcher zur Folge hat, daß bereits vor Erreichen des zulässigen
Höchstwertes des Laststromes die Generatorspannung erheblich abgesenkt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Spannungsregler
der eingangs beschriebenen Art, der außerdem mit einem Hilfsstromrelais ausgerüstet
ist, die Regelkennlinie in der Weise zu verbessern, daß die Lichtmaschinenausgangsspannung
bis nahe an den zulässigen Laststromwert möglichst wenig abgesenkt und infolgedessen
auch beim Betrieb unter Höchstlast eine ausreichende Batterieladung sichergestellt
wird. Erfindungsgemäß kann dies dadurch erreicht werden, daß als nichtlinearer Stromleiter
eine aus n-Germanium bestehende Halbleiterscheibe verwendet ist, in welcher durch
Einlegieren von Indium ein p-n-Übergang erzeugt ist, wobei das n-Germanium auf etwa
107 Germaniumatome je ein einen spezifischen Widerstand von etwa 0,19 - cm
ergebendes Fremdatom enthält.
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Hierdurch entsteht die zur Erzielung des beabsichtigten Regeleffektes
erforderliche stark gekrümmte Strom-Spannungs-Kennlinie mit niedrigem Widerstandswert
bei verhältnismäßig hohen Durchlaßströmen und einem Knick der StrQm-Spannungs-Kennlinie
bei etwa 0,3 V, so daß nur ein geringer Spannungsabfall in der Stromspule während
des Betriebes der Regeleinrichtung entsteht. Als besonders zweckmäßig hat es sich
erwiesen, wenn das aus Germanium bestehende Halbleiterplättchen auf einem aus Kupfer
bestehenden Träger mit einer Zinnschicht festgelötet ist und auf der diesem Träger
abgekehrten p-Zone ein ebenfalls aus Kupfer bestehender Anschlußkontakt mit Hilfe
des zur Bildung des p-n-übergangs verwendeten Indiums befestigt ist. In der Zeichnung
ist in F i g. 1 als Ausführungsbeispiel ein Spannungsregler in seinem Schaltbild
dargestellt; F i g. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromleiter zur Verwendung an
diesem Regler im Längsschnitt und F i g. 3 in gleicher Darstellung einen anderen
Stromleiter für den Regler nach F i g. 1.
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Die Regeleinrichtung nach F i g. 1 weist zwei elektromagnetische Schalter
auf, nämlich ein Spannungsrelais, das eine Spannungsspule 10, einen beweglichen
Schaltarm 11 und einen Ruhekontakt 12 hat, und ein Rückstromrelais, das eine Stromspule
13, einen beweglichen Schaltarm 14 und einen Arbeitskontakt 15 sowie eine Vormagnetisierungsspule
21 aufweist. Der bewegliche Schaltarm 11 des Spannungsrelais ist sowohl mit einem
Ende der in der Zeichnung mit 16 angedeuteten Feldwicklung einer Lichtmaschine 17
für ein Kraftfahrzeug verbunden als auch mit einem in Reihe zur Feldwicklung 16
geschalteten Feldwiderstand 18. Die Spannungsspule 10 liegt mit ihrem einen Wicklungsende
an Masse und ist über diese mit der Minusbürste der Lichtmaschine verbunden, während
ihr anderes Wicklungsende an den Pluspol der Lichtmaschine angeschlossen ist. Die
Stromspule 13 des Rückstromrelais liegt in der Zuführungsleitung von der Plusbürste
der Lichtmaschine zum Arbeitskontakt 15, von dem aus der mit 20 bezeichneten Batterie
und weiteren in der Zeichnung nicht dargestellten Stromverbrauchern Strom aus der
Lichtmaschine zugeführt werden kann, wenn der Schaltarm 14 am Arbeitskontakt 15
anliegt. Auf dem gleichen Magnetkern, auf dem die Stromspule 13 sitzt, ist außerdem
eine feindrähtige und mit hoher Windungszahl ausgeführte Wicklung 21 angebracht,
die eine Vormagnetisierung für die Stromspule 13 ergibt und diese in dem Sinn polarisiert,
daß der Schaltarm 14 von seinem Arbeitskontakt 15 abhebt, wenn sich infolge zu niedriger
Lichtmaschinenspannung ein Rückstrom aus der Batterie 20 in die Lichtmaschine einstellen
will.
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Wenn die Lichtmaschine 17 mit genügend hoher Drehzahl 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 Schaltarms 1.1 vom Ruhekontakt 12 ausreichenden Strom in der Spannungsspule
10 ergibt, kommt der Feldwiderstand 18 zur Wirkung, der den durch die Feldwicklung
15 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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Die Vormagnetisierungsspule 21 und der mit ihr zusammenarbeitende,
in der Zeichnung nicht dargestellte, am beweglichen Schaltarm 14 angreifende Anker
sind derart eingestellt, daß sie in dem Augenblick, in dem die Lichtmaschinenspannung
die Spannung der Batterie 20 überschreitet, den Schaltarm 14 gegen den Arbeitskontakt
15 zu legen vermag.
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Um zu vermeiden, daß die Lichtmaschine durch zu große Lastströme unzulässig
beansprucht wird, ist in einem zur Stromspule 13 parallelen Stromkreis ein nichtlinearer
Stromleiter 23 eingeschaltet. In Reihe mit diesem liegt eine Hilfswicklung 24, die
mit der Spannungsspule 10 auf einem gemeinsamen, in der Zeichnung nicht dargestellten
Eisenkern angeordnet ist.
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Der Stromleiter 23 ist in F i g. 2 in seinem Längsschnitt dargestellt
und hat einen aus einer Kupferplatine durch Fließpressen hergestellten Becher 110
von etwa 8 mm Höhe und 6 mm Durchmesser. Innen am Becherboden 111 ist mittels einer
Zinnscheibe
112 eine etwa 0,3 mm starke Halbleiterscheibe 113 festgelötet.
Diese besteht aus niederohmigen n-Germanium, das auf etwa 107 Atome nur ein Fremdatom
enthält, wodurch das Germanium n-leitend wird und einen spezifischen Widerstand
von etwa 0,1 a - cm aufweist. Dabei ist bekanntlich die durch Einlegierung von Indium
erzielbare Sperrwirkung an den p-n-t7bergängen verhältnismäßig schlecht.
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Auf die vom Becherboden abgekehrte Seite der Germaniumscheibe 113
ist mittels einer Indiumpille 114 ein Kupferdraht 116 festgelötet,
der durch die zentrale Bohrung einer Isolierscheibe 115 aus dem Becher herausragt
und an seinem sich unmittelbar an die Isolierscheibe 115 anschließenden Abschnitt
117 geriffelt ist. Durch diese Riffelung wird ein guter Sitz des Anschlußdrahtes
erzielt, wenn die offene Stirnseite des Bechers 110 mit einem erhärtenden
Gießharz 118 verschlossen wird. Die Haltbarkeit kann durch eine am Innenumfang entlang
dem Becherrand angebrachte weitere Riffelfläche 120 erhöht werden.
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Das Zusammenlöten der beschriebenen Anordnung erfolgt durch Erhitzen
auf etwa 520" C unter Schutzgasatmosphäre oder in Vakuum, wobei die zwischen der
Halbleiterscheibe 113 und dem Boden des Bechers befindliche Zinnschicht 112 schmilzt
und gleichzeitig die als Lötmittel für den Anschlußdraht 11.6 dienende Indiumpille
so weit in die Germaniumscheibe einlegiert, daß sich dort die mit 119 angedeutete
p-n-Schicht bildet.
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Das in F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem vorher Beschriebenen dadurch, daß der Anschlußdraht 126 in der Nähe der
Randzone des Bechers 122 eine Abkröpfung 127 aufweist, durch die eine sichere Verankerung
des Drahtes im Gießharz 128 erzielt wird. Zur Verbesserung der Verankerung ist der
Becher entlang seinem stirnseitigen Rand leicht nach innen gebogen und verhindert
dadurch, daß der Gießharzpfropfen 128 aus dem Becher 122 herausgezogen werden kann.
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Beide Stromleiter haben eine für die Strombegrenzung sehr günstige,
gekrümmte Strom-Spannungs-Kennlinie, die bereits bei einem an der Spule 13 entstehenden
Spannungsabfall von etwa 0,25 V einen über die Hilfswicklung 24 fließenden Strom
von 0,3 A ermöglicht. Dieser hohe Stromwert kommt im wesentlichen dadurch zustande,
daß bei dem beschriebenen Aufbau nur sehr niedrige übergangswiderstände an den Lötstellen
auftreten und überdies bei dem das Einlegieren und Verlöten bewirkenden Erhitzungsvorgang
aus dem Kupferbecher 110 bzw. 122 sowie dem Kupferdraht 116 bzw. 126 Kupferatome
in größerer Anzahl in die Germaniumscheibe eindiffundieren und die Leitfähigkeit
des Germaniums nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur erheblich erhöhen. Gleichzeitig
können die eindiffundierten Kupferatome aber auch die Ausbildung des p-n-Übergangs
erschweren und die Sperrwirkung des Stromleiters in der entgegengesetzten Stromrichtung
verschlechtern. Dies ist jedoch bei Verwendung des Stromleiters in der beschriebenen
Regeleinrichtung nach F i g. 1 ohne Bedeutung, weil der Stromleiter dort nicht in
Sperrichtung betrieben wird, während die durch Eindiffundieren von Kupferatomen
erhöhte Steilheit der Kennlinie im Durchlaßbereich es möglich macht, bereits mit
kleinen Widerständen in der Ladestromleitung der Lichtmaschine den gewünschten Regeleffekt
zu erzielen.