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Schaltungsanordnung an Lichtmaschinen
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung an Lichtmaschinen
mit einer Rotorwicklung für Fahrzeuge, bei denen die Lichtmaschine über Dioden ohne
Akkumulator unmittelbar ein Bordnetz speist.
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Bekannte Drehstrom-Lichtmaschinen in der Kraftfahrzeugtechnik arbeiten
mit einem Kontaktregler oder einem elektronischen Regler, der den Erregerstrom durch
die Rotorwicklung nach Maßgabe des Augenblickswertes der Ausgangs spannung der Lichtmaschine
zu- oder abschaltet. Diese Schaltungsart wird fast ausschließlich für solche Lichtmaschinen
verwendet, die mit einem Akkumulator zusammengeschaltet sind.
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Es gibt jedoch auch Anwendungen für generatorgespeiste Bordnetze von
mobilen Arbeitsmaschinen, z.B. von Vibrationswalzen für den Mitgängerbetrieb, die
einen batterie losen Betrieb erfordern, weil Bleiakkumulatoren noch nicht genügend
vibrationsfest und lagerfähig sind und zudem einer besonderen Wartung bedürfen.
Andererseits lassen sich eine Reihe von Schalt- und Steuerungsfunktionen auf elektrischem
oder elektromechanischem Wege sehr vorteilhaft verwirklichen.
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Der batterielose Betrieb von Lichtmaschinen bringt eine Reihe schwerwiegender
Probleme mit sich: Der Zweipunktregler, welcher vom Augenblickswert der Ausgangsspannung
gesteuert ist, läßt den Mittelwert und insbesondere den Effektivwert der Ausgangs
spannung schon bei geringen Stromentnahmen ansteigen. Das führt zu Überlastungen
von dauereingeschalteten Bauelementen.
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Die Regelvorgänge führen zu kurzzeitigen Spannungsspitzen, namentlich
bei Abstellen und Auslaufen des Antriebsmotors.
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Solche Spannungsspitzen können elektronische Bauelemente oder auch
den elektronischen Regler und die Lichtmaschine selbst zerstören.
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Beim Abschalten von Verbraucherströmen baut sich die vom Regler erzeugte
Rotorerregung nur verzögert ab, so daß nach dem Abschalten für eine gewisse Zeit
noch sehr hohe Spannungen induziert werden.
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Umgekehrt entstehen beim Einschalten solcher Verbraucher starke Spannungseinbrüche,
weil es ebenfalls einige Zehntelsekunden dauert, bis der Rotorstrom an die neue
Belastung der Lichtmaschine angeglichen ist. Diese Einbrüche können beispielsweise
elektronische Sicherheitsschaltungen zum Ansprechen bringen oder bewirken, daß elektronische
Schaltungen funktionsunfähig werden.
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Nach längerem Stillstand der Lichtmaschine kann es vorkommen, daß
die von der Restremanenz des Rotors erzeugte Spannung nicht mehr ausreicht, um den
Regler zu öffnen und über die Selbsterregung die Betriebsspannung aufzubauen.
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Diese Schwierigkeiten lassen sich durch Verwendung eines Akkumulators
vermeiden, da der Akkumulator eine starke Integrationswirkung auf die Ausgangsspannung
der Lichtmaschine ausübt und dafür die Lichtmaschine zumindest kurzzeitig Energie
aus dem Akkumulator ziehen kann. Die Verwendung eines Akkumulators ist jedoch bei
manchen Anwendungen, wie oben erläutert, nicht moglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs definierten Ard eine störungsfreie Funktion sicherzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß (a) an der
gleichgerichteten Ausgangs spannung der Lichtmaschine die Reihenschaltung eines
Widerstands und einer Zener-Diode liegt und (b) die Rotorwicklung parallel zu der
Zener-Diode geschaltet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Schsltungsanordnung ist der Ausgang der
Lichtmaschine in direkter ohmscher Gleichstromverbindung mit der Rotorwicklung.
Dadurch kann die von der Restremanenz erzeugte Primärspannung sperrkontaktfrei auf
die Rotorwicklung geleitet werden. Der Anstieg der Spannung an der Rotorwicklung
und damit der Ausgangs spannung ist durch die Zener-Diode begrenzt. Die Spannungsübersetzung
von Rotorwicklungsspannung in Ausgangs spannung ist zahlenmäßig größer als die -
bei nichtleitender Zener-Diode auftretende - Spannungsteilung an dem von dem Widerstand
und der Rotorwicklung gebildeten Spannungsteiler.
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Die Rotorwicklung wird so mit konstante Spannung betrieben. Da bei
den hier vorliegenden Anwendungen eine weitgehend konstante Antriebsdrehzahl zur
Verfügung steht und die von der Lichtmaschine abgegebene Leistung meist weit unter
der Nennleistung liegt, ergibt sich auch eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung.
Auf eine Regelung der Ausgangsspannung kann so verzichtet werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden Spannungsspitzen
vermieden. Es ist auch sichergestellt, daß die Spannung weder zu hoch noch zu niedrig
wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme
auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert, die ein Schaltbild der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung zeigt.
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Mit 10 ist die Rotorwicklung einer Drehstrom-Lichtmaschine bezeichnet,
die von einer Kraftmaschine mit im wesentlichen konstanter Drehzahl angetrieben
wird. In einer Statorwicklung 12 wird ein Drehstrom induziert und durch Dioden 14,16
zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung gleichgerichtet. Diese Ausgangsgleichspannung
versorgt ein Bordnetz des Fahrzeugs.
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An der gleichgerichteten Ausgangs spannung der Lichtmaschine liegt
gegen Masse die Reihenschaltung eines Widerstands 18 und einer Zener-Diode 20. Die
Rotorwicklung 10 ist parallel zu der Zener-Diode 20 geschaltet. Dabei ist die Rotorwicklung
10 über einen zweiten Widerstand 22 mit dem Punkt zwischen der Zener-Diode 20 und
dem Widerstand 18 der Reihenschaltung verbunden.
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Zwischen dem zweiten Widerstand 22 und der Rotorwicklung 10 wird ein
Strom aus einer als einstellbare Konstantspannungsquelle wirkenden, ebenfalls von
der gleichgerichteten Ausgangs spannung der Lichtmaschine gespeisten Vorstufe 24
eingespeist.
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Die Vorstufe 24 enthält eine Reihenschaltung eines Widerstands 26
und einer Zener-Diode 28, die an der gleichgerichteten Ausgangsspannung der Lichtmaschine
liegt. Der Punkt zwischen Widerstand 26 und Zener-Diode 28 dieser Reihenschaltung
ist mit der Basis eines ersten Transistors 30 verbunden. Die Emitter-Kollektorstrecke
des ersten Transistors 30 liegt in Reihe mit einem im Emitterkreis liegenden, einstellbaren
Spannungsteiler 32 (bestehend aus einem Potentiometer 34 und einem Festwiderstand
36) an der gleichgerichteten Ausgangsspannung der Lichtmaschine. Der Abgriff des
einstellbaren Spannungsteilers 32, d.h. der Schleifer des Potentiometers 34, ist
mit der Basis eines zweiten Transistors 38 verbunden. Die Emitter-Kollektorstrecke
des zweiten Transistors 38 liegt in Reihe mit einem im Emitterkreis liegenden Widerstand
40 ebenfalls an der gleichgerichteten Ausgangsspannung der Lichtmaschine. Der Emitter
des zweiten Transistors 38 ist über eine Diode 42 mit dem Punkt zwischen.dem zweiten
Widerstand 22 und der Rotorwicklung 10 verbunden.
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Die gleichgerichtete Ausgangsspannung der Lichtmaschine ist mit einer
Serienschaltung aus einem Widerstand 44 und einer Zener-Diode 46 belastet. Die Durchbruchspannung
der Zener-Diode 46 entspricht etwa der Nennspannung der Lichtmaschine.
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Weiterhin ist der Rotorwicklung 10 die Serienschaltung zweier Dioden
48,50 parallelgeschaltet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bemessung und Auslegung
der verschiedenen Bauteile wie folgt:
Rotorwicklung 10 : 3 Ohm
Widerstand 26 : 180 Ohm, 1 Watt Potentiometer 34 : 20 Ohm Widerstand 36 : 10 Ohm
Widerstand 40 : 1 Kiloohm, 0,1 Watt Widerstand 18 : 30 Ohm, 10 Watt Widerstand 44
: 2 Ohm, 17 Watt Widerstand 22 : 1 Ohm, 0,5 Watt Zener-Diode 28 : 4,5.. .6Volt,
400 Milliwatt Diode 42 : 1 Ampere Zener-Diode 20 : 1,5 Volt, 400 Milliwatt Zener-Diode
46 : 12 Volt, 40 Watt Dioden 48,50: 10 Ampere Transistor 30 : 200 Milliampere Transistor
38 : 500 Milliampere Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Bei
einer handelsüblichen Drehstrom-Lichtmaschine mit einer Nennleistung von 770 Watt
stellt der Widerstand 18 mit einem Widerstandswert von 30 Ohm ein Aufschaukeln der
Selbsterregung sicher. Schließlich wird die Durchbruchspannung der Zener-Diode 20
erreicht. Bei der einfachsten Ausführungsform, bei welcher die Vorstufe 24 entfällt
und nur der Widerstand 18 mit der Zener-Diode 20 vorgesehen ist, führt eine Durchbruchspannung
der Zener-Diode von 1,2 Volt zu einer Leerlaufausgangsspannung von etwa 18 Volt.
Bei einem Innenwiderstand der Drehstrom-Lichtmaschine von etwa 2 Ohm stellt sich
bei einem Ausgangs strom von 2 Ampere die Nennspannung von etwa 14 Volt ein. Bei
der Entnahme weiterer ein bis zwei Ampere verbleibt die Ausgangsspannung noch im
Bereich betriebsgemäßer Bedingungen.
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Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist mit der
Rotorwicklung 10 der Widerstand 22 von etwa 1 ohm in Reihe geschaltet. Dafür ist
die Durchbruchspannung der Zener-Diode 20
auf etwa 1,5 Volt erhöht.
Diese Erhöhung gleicht die Veränderung des Teilverhältnisses des jetzt von den Widerständen
18 und 22 und der Rotorwicklung 10 - statt nur von Widerstand 18 und Rotorwicklung
10 - gebildeten Spannungsteilers aus. Es wird dann über die Diode 42 von der Vorstufe
24 ein Strom eingespeist.
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Die Vorstufe 24 besitzt die Eigenschaft einer einstellbaren Konstantspannungsquelle.
An dem Potentiometer 34 wird ihr Anfangswert so eingestellt, daß bei fließendem
Strom an dem Einspeisungspunkt etwa 1,4 Volt auftreten.
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Diese Anordnung bringt die folgenden Vorteile: Durch die Serienschaltung
der Rotorwicklung 10 mit dem Widerstand 22 wird die Spannung an der Rotorwicklung
geringer gehalten, ohne daß dies die Selbsterregung beeinträchtigen würde. Das hat
eine kleinere Leerlaufspannung zur Folge. Die wirkliche Spannung an der Rotorwicklung
10 wird aber nach erfolgter Selbsterregung von der Vorstufe 24 bestimmt und kann
an dieser auf einen passenden Wert eingestellt werden.
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Die stufenlose Einstellung gewährleistet eine Anpassungsmöglichkeit
an eine unterschiedliche Verbraucherbestückung. Es ist nicht erforderlich, eine
solche Anpassung durch Auswahl der Zener-Diode 20 zu treffen. Eine solche Auswahl
wäre umständlich.
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In vielen Fällen wären gar keine Bauteile mit geeigneten Kenngrößen
verfügbar.
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Dadurch, daß die Ausgangsspannung der Drehstrom-Lichtmaschine mit
der Serienschaltung des Widerstands 44 von 2 Ohm und der Zener-Diode 46 belastet
ist, deren Durchbruchspannung etwa den Wert der gewünschten Nennspannung, nämlich
12 Volt, hat, wird oberhalb der Durchbruchspannung der Zener-Diode 46 eine Halbierung
des Innenwiderstands der Drehstrom-Lichtmaschine erreicht. Außerdem wird die Leerlauf-Spannung
auf etwa 15 Volt vermindert. Bis zu einer Ausgangsspannung von 12 Volt, die
diesen
Strompfad stromlos werden läßt, kann der abgegebene Strom etwa zur Hälfte diesem
"Stromspeicher" entnommen werden.
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Für einen Ausgangsstrom von 4 Ampere sinkt die Ausgangs spannung nur
um 3 Volt ab.
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In allen diesen Ausführungsformen ist die beschriebene Schaltungsanordnung
kurzschlußfest, da jede übermäßige Stromentnahme schließlich zu einem Absinken des
Stromes durch die Rotorwicklung 10 führt. Sie ist damit im besonderen Maße für rauhen
Betrieb, z.B. bei Baumaschinen, geeignet.
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Zusätzlich zu oder statt der Kombination des Widerstands 44 und der
Zener-Diode 46 kann zu der Rotorwicklung 10 die Serienschaltung der beiden Leistungsdioden
48,50 parallelgeschaltet sein. Im Bereich größerer Leerlauf spannungen arbeitet
diese Serienschaltung im beginnenden Durchlaßgebiet. Dadurch bewirkt sie eine Verminderung
des Rotorstroms. Im Belastungsfall leiten die Dioden 48,50 nur einen sehr geringen
Strom. Dadurch kann die Leerlaufspannungs-Überhöhung vermindert werden. Andererseits
wird die gesamte Anordnung hierdurch gegen einen möglichen Kurzschluß, z.B. durch
Kabelschaden zwischen der Klemme 52 der Rotorwicklung 10 und einer der spannungsführenden
Klemmen 54,56 der Lichtmaschine, abgesichert.
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