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Schaltungsanordnung für Fahrrad-Beleuchtungsanlagen
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
für Fahrrad-Beleuchtungsanlagen mit einer Lampe, einem Dynamo, einer Batterie und
einer Umschaltanordnung (Relaisschalter), die die Lampe in Abhängigkeit vom Betriebszustand
des Dynamos aus dem Dynamo oder der Batterie mit elektrischer Energie versorgt.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus folgenden Druckschriften
bekannt: DE-OS 26 47 681; DE-OS 24 23 472; US-PS 39 21 741; DE-OS 31 44 595; DE-OS
28 50 642 und DE-Zeitschrift "ELO 9/1981"7 Seite 62/63. Wie auch bei der vorliegenden
Erfindung
sollen diese Schaltungen dafür sorgen, daß die Beleuchtung eines Fahrrades bei sehr
langsamer Fahrt oder bei Stillstand aus der Batterie gespeist wird, während bei
schnellerer Fahrt der übliche Dynamo die Energieversorgung übernimmt. Zusätzlich
sehen einige der bekannten Schaltungen vor, daß bei schneller Fahrt der Dynamo zusätzlich
zur Energieversorgung der Beleuchtung auch noch die Batterie auflädt.
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Bei allen oben genannten Schaltungen wird die von dem Dynamo erzeugte
Spannung zur Betätigung der Umschaltanordnung verwendet. Hierbei treten jedoch folgende
Probleme auf. Die Leerlaufspannung der üblichen Dynamos schwankt in sehr weiten
Grenzen und geht teilweise bis zu 20 V bei sehr langsamer Fahrt, die eine ausreichende
Speisung der Beleuchtung noch nicht gewährleistet. Um ein zu häufiges Hin- und Herschalten
der Umschaltanordnung zu verhindern, wurde die Umschaltanordnung mit einer großen
Hysterese ausgestattet und die Triggerspannung für das Umschalten von Dynamo auf
Batterie relativ hoch gelegt, beispielsweise auf 8,4 bis 8,5 VO Das Umschalten von
Batterie auf Dynamo erfolgte dagegen bei Spannungen in der Größenordnung von 3 bis
4 V.
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Nun werden allerdings seit neuerer Zeit auch Halogenlampen für Fahrradbeleuchtungen
verwendet, die gegen Überspannungen sehr empfindlich sind. Entsprechend wurden Dynamos
mit Spannungsbegrenzung verwendet, deren Leerlaufspannung auf ca. 8 bis 8,3 V begrenzt
ist. Die herkömmlichen Umschaltanordnungen sprechen daher bei solchen spannungsbegrenzten
Dynamos nicht mehr an, so daß die Beleuchtung nur aus der Batterie versorgt wird.
Legt man den Triggerpunkt entsprechend niedriger, beispielsweise auf 7,8 V, so tritt
wiederum das unerwünschte zu häufige Umschalten auf, sofern
die
Schaltungsanordnung mit nicht-spannungsbegrenzten Dynamos verwendet wird. Schließlich
ist es wünschenswert, Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art zu haben,
die mit allen gängigen Dynamotypen, also mit spannungsbegrenzten und nicht- spannungsbegrenzten
Dynamos einwandfrei zusammenarbeiten, ohne daß sie eigens an den jeweiligen Dynamo
angepaßt bzw. auf ihn einjustiert werden müssen.
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Es wäre nun denkbar, das obige Problem dadurch zu lösen, daß der Dynamo
ständig belastet ist, so daß sich seine "Leerlaufspannung" von der Nennspannung
unter Belastung durch die Beleuchtung nur geringfügig ändert. Man erhielte dann
eine verhältnismäßig gering geneigte Strom-Spannungs-Kennlinie und könnte die Triggerpunke
für die Umschaltanordnung relativ nahe nebeneinander legen und damit eine geringe
Hysterese vorsehen. Hierzu müßte allerdings die permanente Belastung des Dynamos
verhältnismäßig groß sein (niederomiger Widerstand), so daß beträchtliche Energiemengen
lediglich in Verlustwärme umgesetzt würden und nicht für Beleuchtungszwecke zur
Verfügung stünden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ohne nennenswerte Leistungsverluste
und unabhängig von der Art des verwendeten Dynamos ein einwandfreies Umschalten
der Energieversorgung für die Beleuchtung aus der Batterie oder dem Dynamo gewährleistet
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umschaltanordnung
in Abhängigkeit der vom Dynamo bereitgestellten elektrischen Leistung betätigbar
ist.
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Es wird also nicht mehr die Dynamospannung zur Steuerung der Umschaltung
verwendet, sondern die bereitgestellte Leistung.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die vom
Dynamo bereitgestellte Leistung über einen Meßwiderstand erfaßt wird, der so geschaltet
ist, daß nur ein Teil des durch die Lampe fließenden elektrischen Stromes durch
ihn fließt. Der Meßwiderstand verbraucht damit nur sehr geringe Leistung (Umsetzung
in Wärme), so daß praktisch die volle Dynamo-Leistung für die Beleuchtung zur Verfügung
steht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sowie konkrete Schaltungsanordnungen sind in den Unteransprüchen 3 bis 8 beschrieben.
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Im folgenden wird die ErEindung anhand eines Ausführungsbeispieles
im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt ein Schaltbild der Schaltungsanordnung nach
der Erfindung. Ein Dynamo G ist mit seinem einen Anschluß mit Masse und mit seinem
anderen Anschluß mit einem Ruhekontakt S1 eines Relaisschalters S verbunden. Der
Schaltarm des Relaisschalters S ist mit einem Anschluß einer Lampe L verbunden,
deren anderer Anschluß mit Masse verbunden ist. Statt einer Lampe L können natürlich
auch zwei oder mehrere Lampen vorgesehen sein, die dann parallel geschaltet sind,
beispielsweise für Rücksicht und Scheinwerfer. Der Arbeitskontakt S2 des Relaisschalters
S ist mit einem Pol einer Batterie verbunden, deren anderer Pol auf Masse liegt.
Ein Pol der Relaisspule REL des Relaisschalters ist mit dem Arbeitskontakt S2 und
damit dem einen Pol der Batterie B verbunden, während der andere Anschluß der Relais
spule über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T2 mit Masse verbindbar
ist.
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Der mit dem Ruhekontakt S1 verbundene Anschluß des Dynamos G ist über
eine Reihenschaltung aus einer in Durchlaßricheung geschalteten Diode D1 und eines
Meß-
widerstandes R1 mit dem Anschluß der Lampe L verbunden, der
mit dem Schaltarm des Relais schalters S verbunden ist. Ist der Relaisschalter S
in seiner dargestellten Ruhestellung, so ist diese Reihenschaltung durch den Relaisschalter
überbrückt, d.h. kurzgeschlossen.
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Von dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen der Diode D1 und dem
Meßwiderstand R1 zweigt eine Steuerleitung ab, die zu einer Umschaltanordnung U
führt. In dieser Steuerleitung liegt zunächst eine in Durchlaßrichtung geschaltete
Diode D2, an deren Ausgang ein gegen Masse geschalteter Kondensator C liegt sowie
eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R2, einer Zenerdiode ZD1 und einem Widerstand
R3. Weiterhin ist an dem Ausgang der Diode D2 eine Zenerdiode ZD2 in Reihe mit einem
Widerstand R4 geschaltet, wobei der Ausgang der letztgenannten Reihenschaltung mit
der Basis des Transistors T2 verbunden ist. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des
Transistors T2 liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T1, dessen
Basis an den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R3 und der Zenerdiode
ZD1 angeschlossen ist. Zusätzlich liegt zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors
T2 ein Widerstand R6. Weiter liegt zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen
dem Widerstand R2 und der Zenerdiode ZD1 einerseits und dem gemeinsamen Verbindungspunkt
zwischen dem Kollektor des Transistors T2 und dem einen Anschluß der Relaisspule
REL eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R5 und einer Diode D3.
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Schließlich ist zur Aufladung der Batterie B noch vorgesehen, daß
der mit dem Schalter S verbundene Anschluß der Lampe L über eine Reihenschaltung
aus zwei in Durchlaßrichtung geschalteten Dioden D4 und D5 mit dem Pol der Batterie
B verbunden ist, der auch mit dem Arbeits-
kontakt S2 verbunden
ist. Die Reihenschaltung aus zwei Dioden dient dazu, eine ausreichende Spannungsdifferenz
(z.B. 2 x 0,7 V) zwischen Lampe und Batterie vorzusehen, so daß erst bei ausreichendem
Spannungsüberschuß aus dem Dynamo die Batterie geladen wird.
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Bevorzugt haben die beschriebenen Bauelemente folgende Werte: Durchlaßspannungen
der Dioden Dl, D2, D3 und D4 = 0,7 V.
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R1 = 6,8 Ohm, R2 = 3,3 k Ohm, R3 = 3,3 k Ohm, R4 = 1 k Ohm, R5 = 2,2
k Ohm.
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Dynamo G und Lampe L haben jeweils eine Nennleistung von 3 W bei einer
Nennspannung von 6 V.
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Die Zenerdiode ZD1 hat eine Zenerspannung von 3,3 V; die Zenerdiode
ZD2 eine Zenerspannung von 2,7 V. Der Kondensator C hat 100 iiF.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach der
Figur beschrieben Es sind folgende 4 Betriebszustände zu unterscheiden: 1. Stationärer
Fall bei für die Beleuchtung ausreichender Dynamo-Energie 2. Absinken der Dynamoenergie
aus dem stationären Fall 1.
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3. Stationärer Fall der batterie-gespeisten Beleuchtung und 4. ansteigende
Dynamo-Energie aus dem dritten Fall.
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Im ersten Fall ist die Dynamo-Energie ausreichend groß, die Lampe
L mit Energie zu versorgen. Der Relaisschalter S ist in seiner Ruhestellung Der
Strom fließt von dem Dynamo G über den geschlossenen Ruhe kontakt zur Lampe. Ist
die Dynamo-Spannung mindestens um die Durchlaßspannung der Dioden D4 und D5 größer
als die
Batteriespannung, so fließt zusätzlich ein Ladestrom zur
Batterie. Die Steuerleitung zu der Umschaltanordnung U liegt auf dem Potential der
Dynamospannung vermindert um die Durchlaßspannung der Diode D2 und vermindert um
einen minimalen Spannungsabfall an dem Widerstand R1. Es fließt somit ein kleiner
Strom von dem Generator über den Ruhekontakt des Relaisschalters S, den Meßwiderstand
S1 und die Diode D2 zu der eingangsseitig sehr hoch omigen Umschaltanordnung U.
Da in diesem Betriebszustand die Dynamospannung relativ groß ist, liegt die Basis
des Transistors T1 auf ausreichend hohem Potential, um den Transistor T1 durchzuschalten.
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Ist der Transistor T1 durchgeschaltet, d.h. leitend, so ist die Basis
des Transistors T2 nahezu auf Massepotential, so daß der Transistor T2 sperrt. Die
Relaisspule REL ist damit von der Energieversorgung abgetrennt; der Relaisschalter
S folglich in seiner stabilen Ruhestellung.
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Es sei nun der zweite Fall behandelt, bei dem aus dem oben behandelten
stationären Fall die Dynamo-Spannung absinkt. Hierdurch sinkt ebenfalls die Spannung
auf der Steuerleitung ab, bis in dem Spannungsteiler R2, ZD1, R3 die Basisspannung
des Transistors soweit abgesunken ist, daß der Transistor T1 von seinem leitenden
Zustand in den gesperrten Zustand kippt. Hierdurch wird die Basis des Transistors
T2 freigegeben, so daß dieser Transistor durch die noch vorhandene Restspannung
auf der Steuerleitung durchschaltet. Die Zenerspannung der Zenerdiode ZD2 in der
Basisleitung zu dem Transistor T2 ist kleiner als die Zenerspannung der Zenerdiode
ZD1 in der Basisleitung zu dem Transistor T1. Damit ist sichergestellt, daß bei
gesperrtem Transistor T1 der Transistor T2 noch durchschalten kann. Um für das Durchschalten
des Transistor T2 noch einen ausreichenden Basisstrom liefern zu können, ist der
Kondensator C vorgesehen, der zusätzlich noch eine glättende
Wirkung
auf die Spannung der Steuerleitung ausübt.
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Ist der Transistor T2 durchgeschaltet, d,h. leitend, so wird die Relaisspule
REL erregt, d.h. mit Batteriespannung verbunden; der Relaisschalter S schaltet in
seine Arbeitsstellung um, bei der der Schaltarm mit dem Relaiskontakt S2 verbunden
ist. Die Lampe L wird nun über den umgeschalteten Relaiskontakt aus der Batterie
B mit elektrischer Energie versorgt. Zusätzlich gelangt die Batterie spannung über
den Relaisschalter S, den Meßwiderstand R1 und die Diode D2 auf die Steuerleitung.
Der Transistor T1 schaltet gleichwohl nicht durch, da aufgrund des durchgeschalteten
Transistors T2 die Reihenschaltung aus dem Widerstand R5 und der Diode D3 nun auf
Masse liegt. Der Widerstand R2 und die Reihenschaltung aus Widerstand R5 und Diode
D3 wirken jetzt als Spannungsteiler für die Basisspannung des Transistors Tl, wobei
die Werte der Bauelemente so gewählt sind, daß die Spannung am Basisteilerabgriff,
d.h. am Eingang der Zenerdiode ZD1 kleiner ist als deren Zenerspannung, so daß die
Basisspannung am Transistor T1 so klein ist, daß der Transistor T1 nicht durchschalten
kann. Es wird also ein stabiler Zustand geschaffen; bei dem das Relais eine Selbsthaltefunktion
hat. Damit ist der oben erwähnte dritte stationäre Fall der niedrigen Dynamo-Spannung
bzw.
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der batteriebetriebenen Beleuchtung erreicht.
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Steigt nun aus diesem stationären Fall die Dynamo-Spannung wieder
an, so wird ein Punkt erreicht, bei dem die Dynamo-Spannung um mindestens den Betrag
der Durchlaßspannung der Diode D1 größer ist als die Batteriespannung vermindert
um den Spannungsabfall an dem Meßwiderstand Rl. Somit steigt ab diesem Punkt die
Spannung an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Dioden D1 und D2, so daß auch die
Spannung auf der Steuerleitung ansteigt. Hat diese Spannung einen
durch
die Bauelemente R2, R5, D3, ZD1 und R3 festgelegten Wert von beispielsweise 8,0
V erreicht, so schaltet bei noch leitendem Transistor T2 der Transistor T1 durch.
Hierdurch wird die Basisspannung des Transistors T2 auf Masse gezogen, so daß der
Transistor T2 sperrt.
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Die Relais spule REL wird von der Spannungsversorgung abgetrennt,
der Relais schalter S kippt in seine Ruhestellung zurück und der Widerstand R5 und
die Diode D3 werden für den oben erwähnten Spannungsteiler unwirksam. Damit ist
der erste Fall der stationären Energieversorgung der Lampe aus dem Dynamo erreicht.
Durch das wirksam und unwirksam Schalten der Bauelemente R5 und D3 erhält die Umschaltanordnung
ein Hysterese-Verhalten, so daß ein zu häufiges Umschalten vermieden wird. Obwohl
bei der obigen Funktionsbeschreibung auf Spannungswerte hingewiesen wurde, sei darauf
hingewiesen, daß im Ergebnis die vom Dynamo bereit gestellte Leistung maßgeblich
für die Spannung auf der Steuerleitung ist. Im besonders kritischen vierten Fall,
bei dem beim Stand der Technik die Leerlauf spannung des Dynamos entweder sehr hohe
Werte bis zu 20 V annehmen kann oder aufgrund einer Spannungsbegrenzung unter dem
Triggerpunkt der Umschaltanordnung liegen kann, bleibt der Dynamo bei der vorliegenden
Erfindung über die Strecke D1, R1 und L belastet. Erst wenn bei einem Dynamostrom
über die Strecke D1, R1 und L ausreichende Dynamoleistung zur Verfügung steht, steigt
die Spannung an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Dioden D1 und D2 an. Der Meßwiderstand
R1 ist weiterhin so gewählt, daß in ihm nur relativ kleine Leistung vernichtet bzw.
in Wärme umgesetzt wird. Bei der oben angegebenen Dimensionierung der übrigen Bauteile
liegt ein günstiger Wert für den Meßwiderstand R1 bei 6,8 Ohm. Dadurch, daß die
Strecke D1, R1 bei Dynamobetrieb durch den Schalter praktisch kurz geschlossen ist,
wird bei Dynamobetrieb praktisch überhaupt keine Leistung
in den
Meßwiderstand R1 vernichtet, da der durch den Meßwiderstand R1 in dem stationären
ersten Fall fließende Strom aufgrund des hochomigen Einganges der Umschaltanordnung
U sehr klein ist.
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Sämtliche in den Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung
dargestellten technischen Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger
KOmbination miteinander erfindungswesentlich sein
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