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Spannungsregelnde Einrichtung für elektrische Beleuchtung, insbesondere
von Fahrzeugen Die elektrische Beleuchtung von Fahrzeugen mit Hilfe von Dynamomaschinen
und Batterien erfordert besondere Regelungseinrichtungen, nm Stromstärke und Spannung
in den für Dynamomaschine, Batterie und Glühlampen zulässigen Grenzen zu halten.
Bei verschiedenen Bauarten wird das Magnetfeld der Dynamomaschine von einem Regler,
Feldregler genannt, so beeinflußt, daß bei den verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten
die Spannung der Dynamomaschine innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird. Bei
diesen spannungsregelnden Bauarten enthältder Feldregler als Hauptspule eine an
die Dynamospannungangelegte Spannungsspule und außerdem noch eine zweite Spule von
wenigen Windungen (Feldreglernebenspule), die vom Maschinenstrom oder vom Batteriestrom
durchflossen wird.
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Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß in den Maschinen- oder
Batteriestromkreis ein Widerstand eingeschaltet wird, webe:i die den Regler mit
beeinflussende zweite Spule im Nebenschl.uß zu dem eingefügten Widerstand liegt.
Die Feldreglernebenspule erhält in diesem Falle nur einen bestimmten Bruchteil des
gesamten Maschinen-,oder Batteriestromes und muß zur Erreichung der gleichen Amperewindungszahl
entsprechend mehr Windungen erhalten, als wenn -der volle Strom in wenigen Windungen
über .den Feld reGler Geleitet wird. Bei den bisher bekannten Bauarten besteht dieser
Widerstand aus dem üblichen Baustoff für Widerstände, der bei den betriebsmäßig
vorkommenden Stromstärken einen festen Widdrstandswert besitzt, oder aus Eisen in
freier Luft, das wegen seiner Oxydierbarkeit nicht stark erwärmt werden .darf, woran
auch eine Verzinnung (als Rostschutz) nichts ändert. In allen diesen Fällen ist
die Stromstärke in der Nebenspule der Stromstärke in dem parallelen Widerstand annähernd
proportional, also ein annähernd fester Bruchteil. Die Einwirkung auf den Regler
ist annähernd ebenso, als ob der den Widerstand durchfließende Gesamtstrom in entsprechend
weniger Windungen über den Feldregler geleitet würde.
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Bei allen diesen Bauarten kann der durch den Regler bewirkte Zusammenhang
zwischen Strom und Spannung durch ein Schaubild dargestellt werden, wie ein solches
in dem Buch von Dr. phil. Max Büttner »Die Beleuchtung von Eisenhahn-Personenwagen«
(Ausgabe 193o) auf S. 92 Ab:b. 62 und in beiliegender Abb. 2 wiedergegeben ist.
Die Charakteristik solcher Regler bildet annähernd eine Gerade, die gegen die Abszissen.achse
geneigt und in der beiliegenden Abb. z mit der Kennzeichnung Dickregler versehen
ist. Bei stark entladener Batterie beginnt ,die Ladung mit der größten Stromstärke,
hier z. B. mit 53 Amp., wobei die Spannung von 28,8 V auf 25,6 V herabgedrückt wird.
-Mit steigender
Batteriespannung sinkt die Stromstärke allmählich
bis auf den Dauerstrom von einigen Ampere. Aus den A.bb.63 und 64 des gleichen Buches
geht im Zusammenhang mit r1@@ geradlinigen. Charakteristik hervor, dalli Dvnainomasch:ine
nach anfänglicher Volllee lastung unter dem Einfluß des Feldregleils immer weniger
Strom abgibt, obwohl die Batterie ihrem Ladezustand nach noch längere "Zeit den
vollen Strom aufnehmen könnte. In Abb. 63 von Büttner ist z. B. nach il/, Stunden
die Dynamomaschine nur noch mit 3o Amp. belastet, «-ober die Spannung auf a; V gestiegen
ist. 1s könnte aber die Spannung und damit die Ladestromstärke noch erhöht werden,
wenn nicht die geradlinige Reglercharakteristik dies verhindern würde. Die -Maschine
ist bei dieser Regelungsart also nicht voll ausgenutzt; die Batterie wird langsamer
aufgeladen als der Leistungsfähigkeit der Dynamomaschine entspricht.
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Ganz ähnliche Verhältnisse liegen auch beim Schnellregler der Bauart
Dick und bei den 1'inheitsreglern der Deutschen Reichsbahn vor. Grundsätzlich sind
die Verhältnisse in dieser Hinsicht hei allen spannungsregelnden Bauarten gleich,
die auf dein Feldregler neben oder Spannungsspule noch eine den Batterie- oder Maschinenstrom
oder einen alli.- liernd festen Bruchteil davon gleichsinnig i z#> führende Wicklun;--
haben.
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Der vorbeschriehene Nachteil einer langsamen Batterieaufladung und
der nicht vollen Ausnutzung der Dynainoinaschine wird durch Bauarten verbessert,
bei denen die den F eklregler mit lx-einflussende zweite Spule iniit 1dilfe von
Brückenschaltungen mit vier Widerstünden, wovon wenigstens einer aus einem Stoff
finit hohem Temperaturkoeffizienten besteht, Ströme wechselnder Richtung und Stärke
erhält, die nicht mehr in einem festen Verhältnis zum Gesamt- oder Batteriestrom
stellen. Die Charakteristik eines solchen Reglers finit Brückenschaltung ist in
beiliegender Abb. 2 durch eine punktierte Linie mit der Kennzeichnung Regler mit
Brückenschaltung angegeben. Der Nachteil dieser Regelungsart bestellt in der Vielteiligkeit
und L nübersichtlichkeit der Anordnung und ferner darin, daß die Kurve in T einen
Höchstwert erreicht, der die normale Reglergrenzspannung übersteigt. Dies hat zur
Folge,daß bei aufgeladener Batterie und Geschwindigkeitsminderungen des Zuges (z.
B. durch eine Breins:ung) ein Rückstrom von der Batterie zur Dvnamoinaschine fließen
wird, der bei den iil>licllen Bauarten der Selbstschalter diesen will Abschalten
der Dvnainoinascliine veranlassen wird. Da aber die Einschaltespannung niedriger
liegt, wird der Selbstschalter sofort wieder einschalten, evieder abschalten usw.
lris entweder die kritische Geschwindigkeit unterschritten ist oder die Batterie
durch Entladung in das Lichtnetz oder in die Dvnanroinaschine die Cbers'aHnung verloren
hat. Der Selbstschalter iclelt.
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.Die nachstehend beschriebene Anordnung enzweckt eine Änderung der
geradlinigen Charakteristik des Feldreglers auf einfachere Weise als bei der Brückenschaltmrg
und unter Vermeidung einer die Reglergreilzspannung (finit Spannungsspule allein)
überschreitenden Spannungssteigerung .
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Die Anordnung entspricht der an sieh bekannten Einrichtung mit einem
Widerstand ini Maschinen- oder Batteriestromkreis und einer im \ebenschluß zu diesem
Widerstand liegenden. den Feldregler neben der SpannUnsspule mit beeinflussenden
zweiten Spule. Die' Verbesserung der Einrichtung besteht darin, ciaß der eingefügte
Widerstand nicht aus dem üblichen Widerstandsmaterial mit annähernd festem Widerstandswert
bestellt. sondern gemäß der Erfindung dein aus einem Stoff in.it hohem positivem
Te nperaturltoeffizienten (c. B. Eisen in indifferenter Atmosphäre orier -Nickel)
bestehenden Widerstand eine solche Bemessung gegeben ist, daß der Feldregler die
Spannung bei schwachen Ströinen nur sehr wenig unterhalb der Reglergrenzspannung,
dagegen hei stärkeren Ströinen in erheblich höherem Ausmaß ändert. Die den Feldregler
außer der Spannungsspule finit beeinflussende Nebenspule erhält dann nicht mehr
Teilströme, die bei jeder Stromstärke einen annähernd festen Bruchteil les -Maschinen-
oder Batteriestromes betragen, sondern der Teilstroh hängt von der jeweiligen Größe
des mit der Temperatur erheblich veränderlichen Widerstandes ab. Fließt ein starker
Strom durch den Widerstand, dann wird sich dessen Baustoff erwärmen, sein Widerstand
erheblich zunehmen. Die Folge ist, daß die Spannung an den Enden- des Widerstandes
nicht mehr der Stromstärke ini Widerstand proportional ist, sondern erheblich stärker
als die Stromstärke ansteigt. Die im \el)enschltiß zumWiderstand liegende zweite
Spule des Feldreglers erhält einen größeren Bruchteil des gesamten -Maschinen- oder
Batteriestromes als bei kleineren Stromstärken. Die Wirkungsweise des Reglers wird
dadurch wesentlich geändert; seine Charakteristik ist nicht mehr eine Gerade, sondern
eine nach oben gekrümmte Kurve, die die Reglergrenzspannung an keiner Stelle übersteigt.
Der Kurvenverlauf kann durch Wahl des Baustoffes für den Widerstand. durch niedrigere
oder höhere Annahme der Teiltperaturgreir7e beim Höchststrom und durch Veränderung
des firn Einzelfalle festen Widerstandswertes iin 'elienschlußstromkreis, etwa
durch
Einbau eines Einstellwiderstandes aus normalem Widerstandsmaterial, .beeinflußt
werden.
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Die Reglerwirkung auf den Batterie- oder Maschinenstromkreis setzt
sich bei einer solchen Anordnung, beispielsweise bei Verwendung eines Eisenwiderstandes,
aus zwei Teilen zusammen. Es wird r. in dem Eisenwiderstand w1 (vgl. Abb. 3) ein
Spannungsabfall unmittelbar eintreten, und 2. wird der abgezweigte, über Vorschaltividerst.an:d
zu, und Fel.dre.glerneibenspule n geführte Strom ein Herabdrücken der von der Spannungsspule
allein eingeregelten Spannung von z. B. 28,8 V zur Folge haben.
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Die Verteilung dieser Wirkungen liegt in der Hand des Konstrukteurs.
In vorliegendem Beispiel werde angenommen, daß bei 53 Amp. eine Spannungssenkung
von 3,2 V eintreten soll, wobei v1 = o,6 V Spannungsabfall durch den Eisenwiderstand
und v., = 2,6 V durch Einwirkung der Feldreglernebenspule bewirkt werde. Ferner
wird angenommen, daß von dem Höchststrom von 53 Amp. 0/10 durch den Eisenwiderstand
zei und i/10 durch die Feldreglerne:benspule n und zu, gehen sollen. Es muß dann
in dem Eisenwiderstand zu, der Teilstrom
Ainp. einen Spanntingsabfallvonvi=o,6Verleiden. Daherwird
0,01258 Ohm. Diesen Widerstand soll der Eisenwiderstand bei einer Temperatur zeigen,
die der Abb. 8.3 S. 70 in dem obengenannten Werk von Büttner etwa bei 3o Volt entspricht.
In beiliegender Abb. i ist diese Schaulinie in verändertem Maßstaube in ein Netz
mit den für diese Rechnung erforderlichen Werten von Strom und Spannung übertragen.
Bei langsam abnehmendein Maschinenstrom fällt die Spannung v1 an den Enden des Widerstandes
w1 rasch von o.6 auf 0,2 V USW.; bei halber Maschinenstromstärke ist die
Spannung nur noch etwa 0,o5 Volt. Diese Spannungsdifferenz z,1 an ,'.en Enden des
Eisendrahtwiderstandes zvi ist aber bei dieser Schaltung die für den Strom in der
Feldreglerneben.spu:le ji und a,.- maßgebende Spannung. Der Widerstandswert dieses
Stromkreises ist konstant. Bei
Amp. wird
Ohm, wobei w2 .den Widerstand der Windungen der Nebenspule it miteinschließt. Die
Stromstärke i2 ist bei abnehmendem Strom i.1 proportional -der Spannungsdifferenz
v1.
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In den Windungen der Feldreglernebenspule muß der Zweigstrom von 1/i0
des gesainten Maschinenstromes den gleichen*Ei.nfluß ausüben wie beim Dickregler
der gerainte Strom. Die Feldreglernebenspule müßte also iomal so viel `Findungen
bekommen, als der Dickregler Starkstromwindungen besitzt. Da aber von der angenommenen
Spannungssenkung von 3,2 V bereits o,6 V im Eisenwiderstand verlorengehen, entfällt
auf die -Nebenspule nur ein Teilbetrag von
der gesamten Spannungssenkung. Die Wind;ttngszahl der Feldreglernebenspulen muß
also io # o,81 2 = 8,i 2m2,1 so groß sein, als die Windungszahl der Starkstromspule
eines Dickreglers. Ein mit diesen Werten für Widerstand, Windungszahlen usw. gebauter
Regler wird dann die Spannung für den Batteriestrom nach folgender Tabelle einregeln:
| Abminderung der Ladespannung durch |
| i. risenNi,iderstand a 2. Feldreglernebenspule Gesamtwirkung |
| Verhältnis |
| Beim t@_l I;l beim i |
| t ,2 ,L2 il + i2 vi + U 2 2 |
| Strom i Ohm Volt Strom Ohm Volt Amp. Volt-
il + i2 |
| il -Amp. j i,-Amp. |
| 47,7 0,012258 o,6 5,30 . O,II32I 2,6O 53,0 |
| .3,20 1 : Io |
| 47,0 o,oio64 0,5 4,42 o1I32I 2,17 51,42 2,67 1 : 11,6 |
| 46,4 ' o,oo862 0,4 3154 i O,II32I 1,73 4994 2.I3 1 : 14,1 |
| 45,7 o,oo656 0,3 2,65 -! 0,11321 1,30 48,35 1,6o 1 : 18,2 |
| 44,5 : 0,00449 _ 0,2 1,77 0,11321 0,87 46,27 1,07 1 : 26,1 |
| 35.8 % 0,00279 0,1 0,88 o,11321 0,43 3668 0,53
1 :41,7 |
| 25,0 0,00200 I 0,05 0,44 0,11321 0,22 25,44 0,27 1 : 57,8 |
Wenn man nun die Werte in Spalte 8 dieser Tabelle in einem Schaubild nach Abb.62
des obengenannten Werkes von B ü t t n e r von der vom Regler mit Spannungsspule
allein eingeregelten Spannung von 28,8 Volt bei der entsprechenden Stromstärke nach
Spalte 7 graphisch subtrahiert, so erhält man die Charakteristik eines solchen Relers
mit Eisen-Z3
---iderstandssteuerung nach der stark gezogenen Kurve
in beiliegender Abb. -:. Man erkennt leicht, dali beim Dickregler z. B. bei der
Spannung von 2; V nur eine Stromstärke von etwa ,3o Anip. zur Verfügung steht, während
bei dem Regler mitEisernviderstandssteuerung bei gleicher Spannung die Stromstärke
noch .h Ainp. beträgt. Die eingeregelte Grenzspannung ist bei beiden Reglern gleich.
Dieser neue Regler ist deshalb dem Regler mit geradliniger Charakteristik in der
Batterieaufladung erheblich überlegen; die Dynamomaschine wird wesentlich länger
mit fast voller Belastung arbeiten, die Batterie wird schneller aufgeladen, oder
eine kleinere Maschine kann die Batterie in gleicher Zeit aufladen. Die Abb. 2 macht
aber weiterhin noch einen Vorteil augenscheinlich. Wenn beim Dickregler und anderen
Bauarten mit geradliniger Charakteristik etwa durch Isurzschluß einer Batteriezelle
die Gegenspannung tun 2 Volt sinken würde, so würde die einzuregelnde Spannung unter
2d. V liegen. Es würde dann, 4°r geradlinigen Charakteristik folgend, die Stromstärke
der Dynamonia.schine auf über So Alnp., also auf ein für die Maschine bereits sehr
gefährliches Maß steigen, -wenn nicht die .Maschiliensicherung durchschmilzt. In
beiden Fällen würde eine Be= leuchtungsstörung unvermeidlich sein. Bei einem Regler
mit Eisenwiderstandssteuerung dagegen -würde dein steilen Verlauf .der Charakteristik
entsprechend die Stromstärke noch nicht einmal 6o Anip. erreichen. Im Vergleich
finit dein Regler mit Brückenschaltung ist eine weitere Verbesserung der Charakteristik
.in Sinne rascherer Batterieaufladung erkennbar, -während der 'Nachteil einer Überhöhung
der Reglergrenzspannung vermieden und die Schaltung -wesentlich vereinfacht ist.
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Der in den Widerständen zo, und zo. eintretende Spannungsabfall von
o,6 V bei ;3 Ainp. bewirkt einen Verlust in Höhe von ;3 ' o,6 = 3 r,8 `i'att. Dieser
Verlust ist i:in Verhältnia zii den erreichten Vorteilen nicht bedeutend, da er
nur dem Verbrauch einer kleineren Glühlampe entspricht. Er ist ferner in dieser
Höhe nur bei stark entladenen Batterien und nur für kurze Zeit vorhanden. Mit fortschreitender
Batterieladung wird .der 'Verlust verschwindend klein. Bei 25 Amp. ist er z. B.
nur noch 25 # 0,05 = i.25 Watt. Auch die U'ärniewirkung im Reglerschrank ist dementsprechend
nicht erheblich, -da z. B. der Lichtregler bei der Einheitsbeleuchtung der Deutschen
Reichsbahn im Reglerkasten mehr als ioo N\"att in Wärine überführt, und zwar solange
Lichtstrom fließt.
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Ein Eisenwiderstand der hier beschriebenen Art finit den angenommenen
elektrischen Eiäenschaften bestellt aus einem Eisendraht von etwa ; o bis 7o inm
Länge und 1,8 bis 2,0 111111 Dicke. Er wird also keineswegs so empfindlich
sein wie die feinen Eisendrahtwiderstä nde, die früher als Vorschaltwiderstände
für Glühlampen verwendet wurden. Bei Verwendung eines 'Nickeldrahtes oder eines
anderen geeigneten Metalls und mäßiger Erw iirinungsgrenze kann auf die Einschließung
in eine Wasserstoffhülle verzichtet werden.
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Die grundlegende Schaltung ist in Abb. 3 dargestellt. Von der Dynamomaschine
d fließt der größere Teildes Stromes über den Eisenwiderstand w1; der kleinere Teil
des Stromes fließt über den konstanten Vorschaltwiderstand w:, und die Feldreglernebenspule
fr. Beide Stromteile vereinigen sich wieder und gehen weiter zur Batterie b bzw.
zu den Lampen I. Der L ainpenstromkreis kann aber auch schon vor -dein Widerstand
w, abgezweigt werden; in diesem Falle würde w1 nur für die entsprechend verminderte
Stromstärke zu bemessen sein. während ein zweiter Widerstand finit hohem Temperaturkoeffizienten
so angeordnet werden kann, daß er mit dem Ausschalten des Lichtstrornkre ses dem
firn Schaltbild Abb. 3 angegebenen Widerstand zel parallel geschaltet wird. Hierdurch
wird der Lichtstromkreis von dem Spannungsabfall im `'Widerstand w1 unabhängig.
Im Schaltbild Abb. 3 stellt ferner s die Spaimungspule des Feldreglers, fl den in
den Erregerstromkreis der Dynamomaschine eingeschalteten Regelwiderstand, hier durch
eine Kohlensäule angedeutet, vor: beide Stromkreise -werden in Abb. 3 unmittelbar
von der Dynamospannung abgeleitet, doch ist dies nicht unbedingt notwendig. Da es
sich bei Abb.3 nur um eine Prinzipschaltung handelt, sind die übrigen Hilfsapparate
(Maschinenselbstschalter. Lainpenregler usw.) nicht angegeben.