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Halbleiterspannungsregler Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterspannungsregler
für Generatoren mit einer Erregerwicklung, insbesondere für.
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ErEftfahrzeug-Lichtmaschinen, der aktive Halbleiterelemente, vorzugsweise
Transistoren, und passive Halbleiterelemente, vorzugsweise Dioden, sowie weitere
passive Schaltelemente, insbesondere ohmsche Widerstände und Kondensatoren, enthält.
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Für iiichtmaschinen in Kraftfahrzeugen finden in zunehmendem Maß Halbleiterspannungsregler
Verwendung, die keine mechanischen Kontakte enthalten und in der Hauptsache aus
Halbleiterelementen wie Dioden und Transistoren bestehen. In der neueren Zeit hat
man auch auf diesem Gebiet die Technik der integrierten Schaltungsweise angewandt
und auf diese Weise Spannungsregler von äußerst kleinen Bauformen entwickelt.
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Nun müssen Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge in ihrer Leistung und
in ihrer Regelcharakteristik sehr verschieden ausgelegt werden, je nachdem, für
welche Bordspannung und für welche Belastung sie angewandt werden sollen. Dementsprechend
müssen auch die Spannungsregler ganz verschiedene Charakteristiken aufweisen. Bisher
werden Spannungsregler mit verschiedenen Daten jeweils einzeln für die obengenannten
Fälle hergestellt, also für die verschiedenen Bordspannungen von 6 V, 12 V und 24
V und für die verschiedenen im Fahrzeug installierten elektrischen Belastungen.
Auf diese Weise ist die Herstellung dieser Halbleiterspannungsregler sehr unwirtschaftlich.
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Aufgabe der-vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden
und die Produktion eines einfachen Halbleiterspannungsreglers zu ermöglichen, der
leicht an die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Lichtmaschinentypen
angepaßt werden kann. Nach der Erfindung wird dies bei einem eingangs erwähnten
Halbleiterspannungsregler dadurch erreicht, daß die aktiven Halbleiterelemente und
die passiven Halbleiterelemente in einer ersten Schalteinheit und die weiteren passiven
Schaltelemente in einer zweiten Schalteinheit enthalten sind. Eine besonders gute
Wirkung wird erzielt, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die erste Schalteinheit
wenigstens einen Transistor, dessen Schaltstrecke in Serie zu der Erregerwicklung
geschaltet ist, und eine als Ladespannungsfühler vorgesehene Zenerdiode enthält
und die zweite Schalteinheit wenigstens einen ohmschen Spannungsteiler und gegebenenfalls
einen Dämpfungskondensator enthält.
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Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
naher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild einer Batterieladeeinrichtung mit
einem Drehstromgenerator in Verbindung mit einem Haibleiterspannuigsregler nach
der Erfindung, Fig. 2 ein Schnittbild, das den mechanischen Aufbau eines Halbleiterspannungsreglers
nach der Erfindung erläutert, und Fig. 3 ein Konstruktionsbeispiel für die Befestigung
eines Halbleiterspannungsreglers an einem Generator.
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Der in Fig. 1 dargestellte Drehstromgenerator 1 wird von einem in
der Zeichnung nicht dargestellten Motor angetrieben. Die Generatorwicklung 2 ist
im Stern geschaltet, die Erreg@@wicklung 3 ist über ein Bürstenpaar 4a und 4b angeschlossen.
Der Drehstromgenerator 1 enthält ferner in bekannter Weise einen Brückengleichrichter
5, der aus sechs Dioden besteht und zweckmäßigerweise ins Lagerschild eingebaut
ist. Mit dem Wechselstromgenerator 1 verbunden ist der erfindungsgemäße Ralbleiterspannungsregler
6, der sich aus zwei Einzelteilen 6a, 6b zusammensetzt. Der erste Teil 6a des Halbleiterspannungsreglers
enthält vor allem aktive Elemente wie Transistoren und passive Halbleiterelemente
wie Dioden, der zweite Halbleiterspannungsreglerteil 6b enthält dagegen die übrigen
passiven Schaltelementes wie Widerstände und Kondensatoren. Der Reglerteil 6a in
dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält einen ersten Transistor
7, der die Stromzufuhr zu der Erregerwicklung 3 freigibt oder unterbricht, einen
zweiten Transistor 8, der die Funktion eines Treibertransistors fur den ersten Transistor
7 hat, eine als Spannungsfühler dienende Zenerdiode 9, einen Ableitwiderstand 10,
der parallel
zur Basis-Rmitter-Strecke des zweiten Transistors 8
geschaltet ist, und eine Freilaufdiode 11, die die Rückschlagspannungsspitze auffängt,
wenn die Erregerwicklung 3 abgeschaltet wird.
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Der zweite Reglerteil 6b enthält einen Spannungsteiler mit den Widerständen
12 und 13, der zwischen dem Ladespannungsanschluß und dem Chassisanschluß des Drehstromgenerators
1 liegt und an dessen Abgriff die Zenerdiode 9 angeschlossen ist, einen Strombegrenzungswiderstand
14 für den Basisstrom des ersten Transistors 7 sowie einen dem Dämpfen von Schwingungen
und der Stabilisierung der Betriebsspannung dienenden Kondensator 15.
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Zwischen dem ersten Reglerteil 6a und dem zweiten Reglerteil 6b bestehen
elektrische Verbindungen, und zwar sind jeweils zwischen Anschlüssen 16a und 16b,
zwischen Anschlüssen 17a und 17b, zwischen Anschlüssen 18a und 18b, zwischen Anschlüssen
19a und 19b zwischen Anschlüssen 20a und 20b sowie zwischen Anschlüssen 21a u-nd
21b elektrische Leiter angeordnet. Vom Kollektor des ersten Transistors 7 führt
eine Serienschaltung aus einem Kondensator 22 und einem Widerstand 23 zur Basis
des zweiten Transistors 8; diese Serienschaltung bildet einen Rückkopplungskreis.
Der Wechselstromgenerator 1 lädt die Fahrzeugbatterie 24 auf und betreibt die im
Wagen installierten Lasten 25. Die Lasten sind durch einen Lastschalter 26 abtrennbar,
beim Betrieb des Fahrzeugs ist der Zündschalter 27 geschlossen. Der Pluspol der
Batterie 24 ist über die Klemme 28 mit dem Pluspol des im Generator 1 enthaltenen
Gleichrichters 5 verbunden; über die Klemme 29 ist der positive Anschluß des Spannungsreglers
6 an die Bürste 4b angeschlossen. Ein Anschluß 30 des Reglerteils 6a steht über
die Bürste 4a mit dem einen Ende der Erregerwicklung 3, eine Klemme 31 mit dem Fahrzeugchassis
in Verbindung.
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Fig. 2 zeigt die mechanische Anordnung der beiden Halbleiterreglerteile
6a, 6b. Der erste Reglerteil 6a und der zweite
Reglerteil 6b sind
übereinander geschichtet angeordnet, so daß sie leicht auseinander- oder zusammengesetzt
werden können.
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Fig. 2a zeigt eine Draufsicht, Fig. 2b eine Seitenansicht dieser Anordnung.
In Fig. 2a sind die Lötstellen 32, 33, 34, 35 der Drahtenden der ersten Schalteinheit
6a und der zweiten Schalteinheit 6b dargestellt. Auf der Oberfläche der zweiten
Schalteinheit 6b ist ein Befestigungselement 36 angeordnet, das gleichzeitig als
Kühlfläche dient. Damit eine gute Abstrahlung der von den Gießharzteilen übertragenen
Wärme erreicht wird, ist diese Kühlfläche in ihrer Größe so gewählt, daß sie sich
ungefähr über die gesamte Oberfläche der zweiten Schalteinheit 6b erstreckt. Dieses
gleichzeitig als EuhlSache dienende Befestigungselement 36 ist an der in Fig. 1
gezeigten.
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Verbindungsstelle zwischen dem Anschluß 21a und dem Anschluß 21b angelötet
und übernimmt gleichzeitig auch die Aufgabe der Chassisanschlußklemme 31. Auf der
Oberfläche der ersten Schalteinheit 6a ist ein gleichzeitig als Kühlfläche dienendes
Befestigungselement 37 angeordnet. Damit auch dieses Befestigungselement 37 die
von den Gießharzteilen her übertragene Wärme gut abstrahlt, ist seine Größe so gewählt,
daß es den größten Teil der Oberfläche der ersten Schalteinheit 6a überdeckt. Das
gleichzeitig als Kühlfläche dienende Befestigungselement 37 ist an der in Fig. 1
dargestellten Verbindungsstelle des Anschlusses 16a und des Anschlusses 16b angelötet,
und es übernimmt gleichzeitig die Aufgabe der positiven Anschlußklemme 29. Ein gleichzeitig
als Kühlfläche dienendes Befestigungselement 38 ist über die Verbindungsmittel 39,
40 mit dem Kollektor des Transistors 7 (Fig. 1) verbunden und übernimmt gleichzeitig
die Aufgabe des Erregerwicklungsanschlusses 30 der ersten Schalteinheit 6a. Während
der Fertigung wird die erste Schalteinheit 6a zunächst auf dem Befestigungselement
36 und die zweite Schalteinheit 6b auf den Befestigungselementn37, 38 befestigt
und dann einstückig mit Gießharz
41 vergossen. Die zweite Schalt
einheit 6b enthält noch eine Keramikgrundplatte 42.
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Fig. 3 der Zeichnung zeigt ein Kontruktionsbeispiel für die Befestigung
eines Halbleiterspannungsreglers an einem Generator.
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Eine Schraube 43 stellt die elektrische Verbindung zwischen dem gleichzeitig
als Kühlfläche dienenden Befestigungselement 37 des Spannungsreglers und einem Befestigungsglied
45 der Bürste 4beker; das Befestigungsglied 45 besitzt eine solche Form, daß/gleichzeitig
auch als Befestigungsglied für den Spannungsregler 6 verwendet werden kann. Die
Schraube 43 ist durch eine entsprechende Bohrung des Lagerschilds 46 des Generators
1 hindurchgeführt, vom Lagerschild aber mit Hilfe einer elektrisch isolierenden
Büchse 47 isoliert. Unter Zwischenlage einer Unterlagsscheibe 48 ist die Schraube
dann mit einer Mutter 49 am Lagerschild 46 starr befestigt. Eine weitere Schraube
44 stellt die elektrische Verbindung zwischen dem gleichzeitig als Kühlfläche dienenden
Befestigungselement 38 des Spannungsreglers 6 und einem Befestigungsglied 50 der
in Fig. 1 gezeigten Bürste 4a her. Auch das Befestigungsglied 50 ist in seiner Form
so ausgebildet, daß es gleichzeitig als Befestigungsglied für den Spannungsregler
6 verwendet werden kann. Die Schraube 44 ist ebenfalls starr im Lagerschild 46 des
Generators 1 befestigt, wobei sie mit einer elektrisch isolierenden Büchse 51 gegenüber
dem Lagerschild isoliert und unter Zwischenlage einer Unterlagscheibe 52 mit einer
Mutter 53 fest angezogen ist. Das gleichzeitig als Kühlfläche dienende Befestigungselement
36 des Spannungsreglers 6 ist unmittelbar mit dem Lagerschild 46 verbunden. Die
Bürsten 4a bzw. 4b sind mit Verbindungselementen 54 bzw. 55 mit den schon erwähnten
Befestigungsgliedern 45 bzw.
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50 verbunden. Die Schraube 43 ist durch eine in der Figur nicht dargestellte
Leitung über den Zündschalter 27 mit dem Pluspol der Batterie 24 verbunden.
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Im folgenden soll die Wirkungsweise der mit dem erfindungs'gemäßen
Halbleiterspannungsregler aufgebauten Schaltung näher erläutert werden. Während
des Betriebs wird die in der Rotorwicklung 2 des Wechselstromgenerators 1 induzierte
Spannung durch den Doppelweggleichrichter 5 gleichgerichtet und zur Aufladung der
Batterie 24 verwendet. Gleichzeitig wird sie den im Wagen installierten Lasten 25
zugeleitet. Der Erregerstrom fließt über den Zündschalter 27, über die Schraube
43, das Befestigungsglied 45, die Bürste 4b, die Erregerwicklung 3, die Bürste 4a
und das Befestigungsglied 50 zu dem gleichzeitig als Kühlfläche dienenden Befestigungs.element
38 des Spannungsreglers 6. Der Erregerstrom wird gesteuert in Abhängigkeit von der
über das gleichzeitig als Kühlfläche dienende Befestigungselement 37 an den Spannungsregler
6 angelegten Generatorausgangsspannung. Die Ausgangsspannung des Generators 1 wird
dadurch auf einem konstanten Spannungswert festgehalten; ; Ladung der Batterie 24
erfolgt daher stets in der richtigen Weise.
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Die im Spannungsregler 6 entstehende Wärme wird von dem gleichzeitig
als Kühlfläche dienenden Befestigungselement 36 zum Lagerschild 46 hin sowie von
den gleichzeitig als Kühlfläche- dienenden Befestigungselementen 37 und 38 zu den
Schrauben 43 und 44 hin unmittelbar und vollständig abgeleitet, so daß man auf diese
Weise eine gute Kühlung des Spannungsreglers 6 bekommt.
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Wenn man außerdem den Hohlraum 56 an der Unterseite des Spannungsreglers
6 mit Gießharz füllt, dann kann man auch über die Unterseite des Spannungsreglers
6 Wärme zum Lagerschild 46 hin ableiten. Da die erste Schalteinheit 6a und die zweite
Schalteinheit 6b nach dem Zusammenbau von dem Gießharz 41 umschlossen sind, erhält
man eine stabile und gegen Schwingungen und Erßchütterungen unempfindliche Konstruktion.
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Bei dem Halbleiterspannungsregler nach der Erfindung kann der erste
Reglerteil 6a gegen einen solchen Teil ausgetauscht werden, der eine Zenerdiode
9 mit einem anderen Durchbruchsspannungswert aufweist; ebenso kann man den zweiten
Reglerteil 6b gegen einen solchen Teil austauschen, der andere Widerstände 12 und
13 mit einem anderen Spannungsteilerverhältnis aufweist.
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So ist es möglich, den Kennspannungswert des Spannungsreglers 6 beliebig
einzustellen. Durch zweckmäßige Kombination einer geringen Anzahl von verschiedenen
Reglerteilen kann man Halbleiterspannungsregler aufbauen, die den Betriebsdaten
zahlreicher Generatoren angepaßt sind. Die Produktion der Halbleiterspannungsregler
wird sehr wirtschaftlich, jedenfalls sehr viel wirtschaftlicher, als wenn jeder
einzelne Halbleiterspannungsregler komplett als mono3itbisch integrierter Schaltkreis
aufgebaut wäre. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist es möglich, den Spannungsregler
mit den Bürsten als eine einzige Schalteinheit zu fertigen und ihn zwischen den
Bürsten und dem Lagerschild des Generators in gutem thermischem und elektrischem
Kontakt anzuordnen. Sehr vorteilhaft ist es dabei, daß einige Befestigungselemente
gleichzeitig als Kühlflächen dienen.
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Es ist daher möglich, für den erfindungsgemäßen Spannungsregler eine
sehr kleine Bauform zu wählen.