DE4419236A1 - Spannungsregelschaltung und PTC-Element für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsregelschaltung und ein PTC-Element, die für die Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet sind, um eine Spannung zu regeln, die an Verbraucher elektrischer Schaltungen angelegt wird, die in den Kraftfahrzeugen vorhanden sind.

Bislang sind bei elektrischen Schaltungen von Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei einer Schaltung für einen Scheinwerfer (H-Lp) eines Kraftfahrzeuges die Schaltungsdrähte verlängert, um einen Spannungsabfall der Spannung hervorzurufen, die von einer Batterie an die Scheinwerfer (H-Lp) angelegt wird, zum Schutz und um zu verhindern, daß sich die Eigenschaften des Scheinwerfers verschlechtern. Obwohl sie von der Kapazität eines Generators (Lichtmaschine) abhängt, wird daher die Verdrahtungslänge der Scheinwerferschaltung gewöhnlich festgelegt, nachdem die Scheinwerfer bereits am Kraftfahrzeug angebracht wurden, und dies führt in der Hinsicht zu Schwierigkeiten, daß hierfür Arbeitsvorgänge erforderlich sind, und darüber hinaus das Gewicht und die Kosten der Verdrahtung mit steigender Länge der Scheinwerferleitungen zunehmen.

Auf entsprechende Weise sind im Falle von Abstandsleuchten (Fahrzeugbreite) ebenfalls Schutzschaltungen vorgesehen, um diese Leuchten gegen eine zu hohe Spannung dadurch zu schützen, daß lange Leitungen oder Verdrahtungen an der Ausgangsseite eines Relais und einer Sicherung vorgesehen sind.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung be­ steht daher in der Bereitstellung einer Spannungsregelschaltung, die gemeinsam für sämtliche Kraftfahrzeuge verwendet werden kann und eines Elementes mit positivem Temperaturkoeffizienten (nachstehend als "PTC" bezeichnet), welches bei der Spannungsregelschaltung eingesetzt wird, welche die Schaltungen und Schaltungsverbraucher dagegen schützen können, daß sich ihre Eigenschaften verschlechtern, wobei die Schaltungsleitungen in ihrer Länge und ihrem Gewicht verringert werden. In diesem Zusammenhang ist das PTC ein Element, dessen Widerstand bei einer bestimmten Temperatur plötzlich abnimmt, so daß es möglich ist, die Schaltungen und die Verbraucher gegen einen zu hohen Strom oder eine zu hohe Spannung zu schützen.

Um das voranstehend geschilderte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Spannungsregelschaltung für Kraftfahrzeuge mit folgenden Teilen zur Verfügung: einer Versorgungsspannung; einem Verbraucher; und einem PTC- Element, welches in Reihe zwischen die Versorgungsspannung und den Verbraucher geschaltet ist, um die von der Versorgungsspannung an den Verbraucher gelieferte Spannung mit Hilfe eines Spannungsabfalls über dem PTC-Element zu steuern oder zu regeln.

In der Spannungsregelschaltung- die voranstehend beschrieben wurde, ist es infolge der Tatsache, daß das PTC-Element in Reihe zwischen die Spannungsversorgung und den Verbraucher geschaltet ist, um die von der Spannungsversorgung an den Verbraucher angelegte Last mit Hilfe eines Spannungsabfalles über dem PTC-Element zu steuern oder zu regeln, möglich, ohne Verwendung irgend einer Sicherung die Schaltung oder den Verbraucher wirksam gegen einen zu hohen Strom oder eine zu hohe Spannung zu schützen bzw. deren Auftreten zu verhindern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schaltungsleitungen in ihrem Gewicht und ihren Abmessungen verringert werden können; die Spannungsregel- oder Steuerschaltung kann für verschiedene Kraftfahrzeuge eingesetzt werden; und aus diesem Grunde lassen sich ihre Herstellungskosten verringern.

Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein PTC-Element mit folgenden Teilen zur Verfügung: einem PTC-Element- Körpermatierial; Elektrodenplatten, die auf beiden seitlichen Oberflächen des PTC-Element-Körpermaterials angeordnet sind; Verbindungsklemmen, die jeweils für die Elektrodenplatten vorgesehen sind; und einem Rückführabschnitt, der für zumindest eine der Elektrodenplatten oder die Verbindungsklemmen vorgesehen ist, um den Widerstand des Elementes einzustellen.

Da bei dem voranstehend beschriebenen PTC-Element der Rückführabschnitt in einer der Elektrodenplatten oder den Verbindungsklemmen vorgesehen ist, ist es möglich, den Widerstand des PTC-Elementes frei wählbar einzustellen, ohne die Dicke und Zusammensetzung des Hauptkörpermaterials zu ändern, oder die Außenabmessungen der Elektrodenplatten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Scheinwerferschaltung, bei welcher die Spannungsregelschaltung für Kraftfahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;

Fig. 2A eine Perspektivansicht eines in Fig. 1 dargestellten PTC-Elementes;

Fig. 2B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Widerstand und der Temperatur des in Fig. 2A gezeigten PTC-Elementes;

Fig. 3A ein Schaltbild einer Schaltung, welche das PTC- Element enthält;

Fig. 3B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der von dem PTC-Element erzeugten Wärme und dessen Temperatur;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Rücklichtschaltung, bei welcher die Spannungsregelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;

Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Rücklichtschaltung, bei welcher die Spannungsregelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;

Fig. 6A eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des PTC-Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 6B eine graphische Darstellung der Beziehung des Widerstandes des PTC-Elementes von Fig. 6A und dessen Temperatur.

Fig. 1 ist eine Scheinwerferschaltung, bei welcher die Spannungsregelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. In der Zeichnung sind zwei (ein rechter und ein linker) Scheinwerfer 2 an einen elektrischen Klemmenkasten 3 über zwei Leitungen 1 angeschlossen. Der elektrische Klemmenkasten 3 weist eine Schmelzsicherung 4 auf, ein Relais 5 und zwei Elemente 9 und 10 mit positivem Temperaturkoeffizienten (nachstehend als "PTC" bezeichnet) Das PTC-Element 9 ist für ein Fernlicht der Scheinwerfer 2 vorgesehen und zwischen die beiden Scheinwerfer 2 und die Relaisschaltung 5 geschaltet. Entsprechend ist das PTC- Element 10 für ein Abblendlicht der Scheinwerfer 2 vorgesehen und zwischen die zwei Scheinwerfer 2 und die Relaisschaltung 5 geschaltet. Die Schmelzsicherung 4, das Relais 5 und die beiden PTC-Elemente bilden eine Steuer- oder Regelschaltung. In dieser Schaltung ist der Widerstand des Scheinwerfers, also des Verbrauchers so festgelegt, daß er ausreichend höher ist, als der Widerstand im Dauerzustand des PTC-Elementes 9 oder 10.

Fig. 2A zeigt die allgemeine Form des PTC-Elementes 9 oder 10. Das PTC-Element besteht aus einem PTC-Element- Körpermaterial 9a, zwei Elektronenplatten 9b, die sandwichartig das Elementenkörpermaterial 9a einschließen, und zwei Verbindungsklemmen 9c, von denen jede jeweils an eine Elektronenplatte 9b angeschlossen ist. Weiterhin sind Elektronenplatten 9b auf beide Seitenoberflächen (die beispielsweise durch Nickelplattierung gebildet werden) des Elementenkörpermaterials 9a aufgelötet. In Fig. 2A bezeichnet die Bezugsziffer 11 eine Sammelschiene, die an eine der Verbindungsklemmen 9c angeschlossen ist. Diese Sammelschiene 11 wird als Teil zur Ausbildung einer internen Schaltung des elektrischen Klemmenkastens 3 verwendet, falls erforderlich.

Das PTC-Körpermaterial 9a kann dadurch erhalten werden, daß ein kristallines Polymer (bspw. Polyethylen) mit leitfähigen Teilchen (bspw. Kohlenstoff) in einem geeigneten Mischungsverhältnis gemischt wird. In diesem PTC- Elementenkörpermaterial sammeln sich Kohlenstoffteilchen in amorphen Abschnitten des kristallinen Polymers an, um so eine große Anzahl leitfähiger Wege auszubilden. Daher erscheint das PTC-Element zunächst als leitfähiges Element.

Wird von dem leitfähigen Zustand aus das PTC-Element erwärmt, so werden die leitfähigen Wege getrennt, infolge einer thermischen Ausdehnung der kristallinen Abschnitte des Polymers. Wenn daher das PTC-Element auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird (nahe dem Schmelzpunkt des Polymers), so nimmt sein Widerstand abrupt zu, wie in Fig. 2B gezeigt. Weiterhin kann gemäß Fig. 2B der ursprüngliche Widerstandswert A der Eigenschaftskurve A des PTC-Elementes während des Herstellungsverfahrens auf verschiedene Werte eingestellt werden. Durch Einsatz eines Anstieges des Widerstandes des PTC-Elementes infolge eines Anstiegs von dessen Temperatur ist es möglich, das PTC-Element als Sicherung einzusetzen. Da das PTC-Element zusätzlich zur Funktion als Sicherung auch eine Spannungsverringerungsfunktion aufweist, ist es bei der Verwendung als Sicherung möglich, die konventionelle Leitung für eine Spannungsverringerung wegzulassen, so daß die Schaltungsverdrahtung verkürzt und das Verdrahtungsgewicht verringert werden kann. Darüber hinaus kann das PTC-Element allgemein für irgendwelche Kraftfahrzeuge verwendet werden.

Wenn dieses PTC-Element in Reihe mit einem Verbraucher in einer Schaltung geschaltet ist, wie in Fig. 3A gezeigt, so ist es möglich, den Verbraucher gegen eine Überhitzung in Folge eines Überstromes oder einer Überspannung zu schützen. Im einzelnen kann in Fig. 3A, wenn eine konstante Spannung E von einer Spannungsversorgung E an einen Verbraucher angelegt wird, und der Widerstand des Verbrauchers RL ausreichend größer ist als ein Dauerzustands-Widerstand RT des PTC- Elementes, die Beziehung zwischen der Temperatur (°C) und der hierdurch erzeugten Wärme (W) auf die in Fig. 3B gezeigte Weise dargestellt werden. In Fig. 3B läßt sich die Eigenschaftskurve PG, die einen Maximalwert aufweist, wie nachstehend angegeben, ausdrücken:

P_G = E²R_T/(R_T + R_L)².

Beträgt andererseits die Umgebungstemperatur TA, so kann infolge der Tatsache, daß die von dem Element abgestrahlte Wärmemenge proportional zur Differenz zwischen der Temperatur des Elementes und der Umgebungstemperatur ist, die Beziehung zwischen der von dem Element abgestrahlten Wärmemenge und dessen Temperatur, wie nachstehend angegeben, ausgedrückt werden:

P_D = K (T - T_A).

Da sich das Element in einem Gleichgewichtszustand befindet, unter der Bedingung, daß die von dem Element abgestrahlte Wärmemenge gleich der von dem Element erzeugten Wärme ist, ist es möglich, zwei stabile Gleichgewichtspunkte x und Z in dem Fall zu erhalten, in welchem die Eigenschaftskurve PG die Linie PD an drei unterschiedlichen Schnittpunkten X, Y bzw. Z schneidet.

Im Normalzustand befindet sich die Wärme in einem Gleichgewichtszustand am Punkt X. In einem nicht normalen Fall ist allerdings der Gleichgewichtspunkt von dem Punkt X zum Punkt Z verschoben. In diesem Zustand nimmt der Widerstand des Elementes zu, so daß der Strom begrenzt werden kann, der durch die das PTC-Element enthaltende Schaltung fließt. Hierbei wird die Verschiebung von Gleichgewichtspunkt X zum Gleichgewichtspunkt Z als Auslösephänomen bezeichnet. Sobald das PTC-Element durch das Auslösephänomen verschoben wird, kehrt die Schaltung nicht in den Ursprungszustand zurück, selbst wenn der nicht normale Zustand von der Schaltung entfernt wird. Um die Schaltung wieder im Normalzustand zu betreiben, ist es daher erforderlich, die Spannung zu verringern, so daß die Eigenschaften des PTC- Elementes nach unterhalb der Linie PD (wie durch die Kurve PH angedeutet) verschoben werden, oder die Spannungsversorgung einmal abzuschalten, um das PTC-Element abzukühlen.

Da das PTC-Element 9 oder 10 mit einer Funktion als Sicherung versehen ist, ist es daher wie voranstehend beschrieben möglich, wenn ein zu hoher Strom durch die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsleitung 1 fließt, die Schaltung im wesentlichen abzuschalten. Da das Dauerzustands-PTC-Element mit einer Funktion als Spannungsabfallquelle versehen ist, ist es darüber hinaus möglich, die Schaltungsleitung 1 zu verkürzen, auf die kürzestmögliche Länge, so daß der Kabelbaum geringeres Gewicht und geringere Abmessungen aufweisen kann. Darüber hinaus ist es erforderlich, die Länge der Leitungen festzulegen, nachdem die Schaltung einmal in dem zugehörigen Kraftfahrzeug angebracht wurde, so daß die Schaltung bei vielen unterschiedlichen Kraftfahrzeugen auf gemeinsame Weise eingesetzt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Rücklichtschaltung, bei welcher die Spannungsregelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. In Fig. 4 ist ein elektrischer Klemmenkasten 23 an eine Abstandslampe 7 (Fahrzeugbreite) über eine Leitung 21 bzw. an eine rückwärtige Beleuchtungslampe 8 über eine Leitung 21a angeschlossen. Der elektrische Klemmenkasten 23 weist ein Relais 5 auf, ein PTC-Element 9 und eine Sicherung 6. Bei der voranstehend geschilderten Schaltung ist die Schaltungsleitung 21 ausreichend verkürzt, infolge des Vorhandenseins des PTC-Elementes 9. Da die Beleuchtungslampe 8 an die Eingangsseite des PTC-Elementes 9 über die Sicherung 6 angeschlossen ist, bleibt die Beleuchtungslampe 8 angeschaltet, selbst wenn die Abstandslampe 7 infolge der Sicherungs-Funktion des PTC-Elementes abgeschaltet wird. Daher kann es bei dieser Ausführungsform auftreten, daß die Schaltungsanomalität von dem Fahrer nicht bemerkt wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Rücklichtschaltung, bei welcher die Spannungsregelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. In Fig. 5 ist ein elektrischer Klemmenkasten 33 an eine Abstandslampe 7 (Fahrzeugbreite) bzw. eine hintere Beleuchtungslampe 8 angeschlossen, jeweils über eine Leitung 21. Der elektrische Klemmenkasten 23 umfaßt ein Relais 5, ein PTC-Element 9 und eine Sicherung 6. Da bei der voranstehend geschilderten Schaltung sowohl die Abstandslampe 7 als auch die rückwärtige Beleuchtungslampe 8 parallel zueinander an den elektrischen Klemmenkasten 33 über das PTC-Element 9 angeschlossen sind, kann der Fahrer eine Schaltungsanomalie erkennen, wenn die Abstandslampe 7 infolge des Vorhandenseins des PTC-Elementes 9 im wesentlichen abgeschaltet wird, da die hintere Beleuchtungslampe 8 gleichzeitig ausgeschaltet werden kann.

Fig. 6A zeigt eine weitere Ausführungsform des PTC-Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig. 6B zeigt die Beziehung zwischen dessen Widerstand und dessen Temperatur. Bei dieser Ausführungsform besteht das PTC-Element 19 aus einem Elementenkörpermaterial 9a, Elektrodenplatten 9e an beiden Seiten, und zwei Verbindungsklemmen 9c. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Verbindungsklemme 9c an einem Basisabschnitt 9d nach innen gebogen, um so einen Rückführabschnitt 9d auszubilden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den Widerstand des PTC- Elementes 19 um einen Wert zu erhöhen, der dem Widerstand des Rückführabschnittes 9d entspricht. Darüber hinaus kann ein entsprechender Rückführabschnitt dadurch ausgebildet werden, daß das Ende irgendeiner der Elektrodenplatten 9b gebogen wird, statt die Verbindungsklemme 9c.

Da bei dieser Ausführungsform der Widerstand größer ist (um einen Wert entsprechend dem des Rückführabschnittes 9d) als bei dem PTC-Element 9 von Fig. 2A ist es möglich, die Beziehung zwischen dem Widerstand und der Temperatur zu erhalten, die durch die obere, abgeknickte Linie in Fig. 6B dargestellt ist. Wenn das in Fig. 2A dargestellte PTC-Element 9 durch die untere, abgeknickte Linie in Fig. 6B repräsentiert wird (wobei ein Anfangswiderstandswert mit BF und die Widerstands-Temperaturlinie durch A bezeichnet ist), so werden, wie aus dieser Figur hervorgeht, der Anfangswiderstandswert BF und die Widerstands-Temperaturlinie AF des PTC-Elementes 19 von Fig. 6A beide nach oben verschoben.

Da bei dieser Ausführungsform die Länge L des Rückführabschnittes 9d und die Anzahl der Umdrehungen oder Wicklungen dieses Rückführabschnittes 9d frei festgelegt werden können, wird der Vorteil erzielt, daß es möglich ist, den Innewiderstand des PTC-Elementes 19 bei Zimmertemperatur frei einzustellen. Falls der Widerstand des PTC-Elementes 19 nicht ausreicht, in Bezug auf den für die Schaltung erforderlichen Widerstandswert, so ist es möglich, den Widerstand des PTC-Elementes 19 zu erhöhen oder fein einzustellen, ohne die Abmessungen des Hauptkörpermaterials 9A des PTC-Elementes 19 oder die Außenabmessungen der Elektrodenplatten 9b zu erhöhen.

Obwohl der durch das PTC-Element 19 hindurchfließende Strom auf der Grundlage des Gleichgewichtes zwischen der von dem PTC-Element erzeugten Wärmemenge und der von diesem abgestrahlten Wärmemenge festgelegt wird, ist es darüber hinaus - wie bereits erläutert - möglich, den durch das PTC- Element 19 fließenden Strom zu erhöhen, wenn die Länge des Rückführabschnittes 9d erhöht wird, da die von hier aus abgestrahlte Wärmemenge zunimmt.

Bei der Spannungsregelschaltung für Kraftfahrzeuge gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Schaltung oder den Verbraucher gegen einen Überstrom oder eine Überspannung zu schützen, ohne Verwendung irgendeiner Sicherung, da das PTC- Element in Reihe zwischen die Spannungsversorgung und den Verbraucher geschaltet ist, um die an die Verbraucher angelegte Spannung auf der Grundlage eines Spannungsabfalles über dem PTC-Element zu steuern oder zu regeln. Weiterhin wird der Vorteil zur Verfügung gestellt, daß die Schaltungsleitung ein geringeres Gewicht und geringere Abmessungen aufweisen kann; daß die Spannungsregel- oder Steuerschaltung für verschiedene Kraftfahrzeuge verwendet werden kann; und daß auf diese Weise deren Herstellungskosten verringert werden können.

Da bei dem PTC-Element gemäß der vorliegenden Erfindung der Rückführabschnitt bei einer der Elektrodenplatten oder den Verbindungsklemmen vorgesehen ist, wird darüber hinaus der weitere Vorteil zur Verfügung gestellt, daß der Widerstand des PTC-Elementes frei eingestellt werden kann, ohne die Dicke und Zusammensetzung des Hauptkörpermaterials ändern zu müssen, oder die Außenabmessungen der Elektrodenplatten.

Claims (4)

1. Spannungsregelschaltung für Kraftfahrzeuge, gekennzeichnet durch:
eine Versorgungsspannungsquelle;
einen an die Versorgungsspannungsquelle angeschlossenen Verbraucher; und
ein Element mit positivem Temperaturkoeffizienten, welches in Reihe zwischen die Versorgungsspannungsquelle und den Verbraucher geschaltet ist, um die von der Versorgungsspannungsquelle an den Verbraucher angelegte Spannung mit Hilfe eines Spannungsabfalles über dem Element mit positivem Temperaturkoeffizienten zu regeln.

2. Spannungsregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher eine Lampe ist.

3. Element mit positivem Temperaturkoeffizienten, gekennzeichnet durch:
ein Elementenkörpermaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten;
Elektrodenplatten, die auf beiden Seitenoberflächen des Elementenkörpermaterials mit positivem Temperaturkoeffizienten vorgesehen sind;
jeweils für die Elektrodenplatten vorgesehene Verbindungsklemmen; und
einen Rückführabschnitt, der für zumindest eine der Elektrodenplatten vorgesehen ist, um den Widerstand des Elementes einzustellen.

4. Element mit positivem Temperaturkoeffizienten, gekennzeichnet durch:
ein Elementenkörpermaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten;
Elektrodenplatten, die auf beiden Seitenoberflächen des Elementenkörpermaterials mit positivem Temperaturkoeffizienten vorgesehen sind;
jeweils für die Elektrodenplatten vorgesehene Verbindungsklemmen; und
einen Rückführabschnitt, der für zumindest eine der Verbindungsklemmen vorgesehen ist, um den Widerstand des Elementes einzustellen.